LECCIÓN 7: EL RECURSO SOLAR
TIEMPO ESTIMADO: 16 MINUTOS
Para poder comprender cuestiones técnicas acerca del dimensionamiento e instalación de sistemas solares térmicos, es necesario conocer las características físicas de la radiación solar, y como la atmósfera y la declinación del eje terrestre interfiere con ella.
7.1 La energía solar
El Sol es la estrella más cercana a la Tierra, estando ubicada a 150 millones de kilómetros. Su edad se estima en 4.500 millones de años y es representativa de muchas otras más distantes, pero el hecho de su proximidad permite la observación de detalles en su estructura.
Una propiedad esencial del sol es su masividad de 2×1030 kg, unas 330.000 veces más másica que la Tierra. Bajo la acción de su propio campo gravitacional, el plasma solar (gas altamente ionizado, constituido esencialmente por hidrógeno y helio) es comprimido de tal forma que en su centro, la alta densidad y temperatura permiten que tengan lugar reacciones nucleares. Estas reacciones nucleares son la fuente de energía que continuamente es radiada al espacio y que controla la actividad solar.
El sol emite alrededor de 60.000 kW/m2 desde toda su superficie. De esa cantidad y antes de entrar a la atmósfera terrestre, solo nos llega un poco más de 1 kW/m2. Esta cantidad se conoce como constante solar y se define como la energía proveniente del sol que por unidad de tiempo es recibida en la unidad de área por una superficie perpendicular a la radiación, ubicada en el espacio a la distancia media tierra-sol. Su valor es de 1367±7 W/m2. Como se verá más adelante, la variación en el valor de la constante solar está relacionada con que la distancia Tierra-Sol no es la misma en toda la órbita. [6]
Luego de pasar por la atmósfera terrestre, en donde es parcialmente absorbida y redistribuida, alcanza la superficie de la Tierra con valores máximos que raramente superan 1.000 W/m2 en días despejados.
Esta energía se extiende desde longitudes de onda de 10-13 m hasta los 10 m, estando concentrada el 98% de ella en la zona ubicada entre los 0,3 μm y los 4.0 μm, límites que coinciden con una de las “ventanas” atmosféricas, como se ve en la figura 19.
El máximo se encuentra alrededor de los 0,48 μm. A la radiación proveniente de esta zona del espectro solar se la llama en general radiación de “onda corta” mientras que la que se produce en el suelo, la atmósfera u otros componentes (que absorben la energía solar y en consecuencia generan calor o electricidad) pero en el rango de 5 μm a 100 μm se la denomina “onda larga”.
En la figura 19 se muestra la distribución del espectro solar en cada longitud de onda, dentro y fuera de la atmósfera y en la figura 20 se muestra un resumen de las características representativas del sol.
Antes de interactuar con la atmósfera, la radiación solar global está contenida en un solo haz de luz.
Al atravesar la atmósfera e interactuar con las partículas de los distintos gases que la componen, la radiación solar se divide en tres tipos:
- Radiación Directa: Es la radiación que llega a la superficie terrestre sin interactuar con la atmósfera.
Tiene una dirección específica y es la que proyecta la sombra de un objeto. - Radiación Difusa: Es la radiación que es dispersada por los componentes de la atmósfera y llega a la superficie terrestre en forma difusa, proveniente de toda la bóveda celeste.
- Radiación Reflejada (se la conoce como albedo): es la que recibe la superficie terrestre por reflexión de objetos cercanos (paredes, suelos, etc.).
La figura 21 muestra un esquema de los tres tipos de radiación solar mencionada y la figura 22 ilustra el efecto de la nubosidad y la atmósfera sobre la irradiancia.
Por otro lado, debido a las características específicas de la órbita terrestre, el sol no es el mismo en todas las épocas del año. Esto se debe esencialmente a la inclinación del eje terrestre, como se muestra en la figura 23. Adicionalmente a ello, la órbita no es perfectamente redonda, sino que tiene una excentricidad del 3%.
Es justamente la declinación del eje terrestre la que permite que existan las estaciones. Si el eje de la tierra fuera vertical, el sol incidiría de la misma manera durante todo el año y no tendríamos estaciones, como se explica con la figura 24.
En los equinoccios, el sol incide de forma directa sobre el ecuador, marcando de esta manera el inicio de la primavera o el inicio del otoño. Por tanto, el espesor de atmósfera que debe atravesar el sol para llegar a la superficie terrestre es mínimo sobre el ecuador y máximo en los polos. Es posible observar lo explicado en la figura 25.
En los solsticios, el sol incide de manera directa sobre uno de los trópicos. En el solsticio de invierno para el hemisferio sur, que se da aproximadamente el 21 de Junio, el sol incide perpendicularmente sobre el trópico de cáncer y marca el inicio del verano en el hemisferio norte y del invierno en el hemisferio sur. El espesor de atmósfera que debe atravesar el sol es mínimo en el trópico de cáncer y máximo en los polos. El polo sur (desde la latitud 66° Sur hasta los 90° Sur) se encuentra en total oscuridad y el polo norte se encuentra en día eterno. Esta situación puede verse en la figura 26.
En el solsticio de verano para el hemisferio sur, que se da aproximadamente el 21 de Diciembre, el sol incide perpendicularmente sobre el trópico de capricornio y marca el inicio del verano en el hemisferio sur y del invierno en el hemisferio norte. El espesor de atmósfera que debe atravesar el sol es mínimo en el trópico de capricornio y máximo, más allá del polo sur, del otro lado del mismo. El polo sur (desde la latitud 66° Sur hasta los 90° Sur) se encuentra en día eterno y el polo norte se encuentra en noche eterna, es decir, el sol no sale ni se pone.
Esta situación puede verse en la figura 27. La inclinación del eje terrestre tiene influencia directa en el espesor de atmósfera que debe atravesar el rayo de sol para llegar a la superficie terrestre. Este fenómeno se explicó en las figuras 25 a 27. Sumado a los fenómenos descriptos, la excentricidad del 3% de la órbita terrestre implica que la tierra está un poco más cerca del sol en el solsticio de verano del hemisferio sur, que la misma situación para el hemisferio norte en el otro extremo de la órbita. La repercusión de ello es que los veranos son un poco más calurosos en el hemisferio sur que en el hemisferio norte.
En las figuras anteriores es posible observar que para maximizar la captación del sol a lo largo del año, es necesario otorgarles diferentes inclinaciones a los colectores en las diferentes épocas del año. En el caso de la energía solar térmica, los sistemas tienen una inclinación fija que puede ser dada por el fabricante o bien por algún otro criterio arquitectónico. No es usual encontrar sistemas solares térmicos cuya inclinación se modifique a lo largo del año, dado que la complejidad y costos de un SST que se regule en función de la estación del año, es mayor a la ganancia térmica por la corrección del ángulo de inclinación.
El uso de una inclinación fija redundará en el aumento de la radiación solar en algunos meses del año y la disminución en otros. Típicamente, se pretende aumentar la radiación solar en los meses de invierno a costas de disminuir un poco la captación de la misma en los meses de verano. El aumento/disminución de la radiación está relacionado con posicionar al colector lo más perpendicular posible al sol en la temporada de uso del SST.
La figura 28 muestra como aumenta y disminuye la radiación global, directa, difusa y reflejada en función de la inclinación de un plano.
La utilización de diferentes valores de inclinación permite optimizar el aprovechamiento de la radiación solar en los meses específicos que la aplicación demande. En el caso de ACS y calefacción serán los meses de invierno. Para climatización de piletas serán los meses de verano. En cuanto a la generación de energía, se considerarán todos los meses del año. De esta manera, no existe un valor específico de inclinación, sino más bien un valor conveniente asociado a la aplicación.
En todos los casos, es necesario que el captador mire hacia el ecuador, de manera que en el hemisferio sur, la orientación óptima es hacia el NORTE. La desviación de la orientación norte, implica pérdida de radiación solar sobre el plano en diferentes épocas del año. Estos conceptos se desarrollarán con mayor profundidad en el capítulo 9 del presente manual, que se destina al recurso solar aplicado para SST.
7.2 Medición de la radiación solar
La radiación solar se mide con diferentes instrumentos dependiendo del tipo de radiación que se pretende medir. La radiación solar global total se mide con radiómetros o piranómetros. Si a uno de esos instrumentos se le incorpora un aro de sombra que bloquee solo el disco solar, el instrumento solo recibe la radiación difusa que proviene del resto de la bóveda celeste, es decir, mide la radiación difusa.
Los pirheliómetros miden la radiación solar directa, restringiendo el cono de luz que miden y realizando un seguimiento en dos ejes al movimiento solar. Los heliógrafos solo registran la cantidad de horas por encima de un determinado umbral de luz. Un ejemplo de los instrumentos mencionados se observa en la figura 29.
Todas son tecnologías diferentes de medición y válidas a los fines prácticos. Dado que hay diferentes tecnologías de medición, resulta útil conciliar todos los datos en una única base de datos, útil a los fines del dimensionamiento de los sistemas solares térmicos.
7.3 El recurso solar en Argentina
La República Argentina ocupa una amplia extensión latitudinal, comprendida entre los 21° y los 55° de latitud sur, y al oeste es atravesada por la cordillera de los Andes con una altura máxima cercana a los 7.000 metros sobre el nivel medio del mar. Estas condiciones características del territorio nacional determinan que existan importantes diferencias en los valores de radiación solar que llegan a cada punto del país, a las que se suman las condiciones atmosféricas particulares a cada región.
En Argentina, contamos con promedios de mediciones provenientes de diferentes instrumentos de la red solarimétrica. Estas mediciones han sido corregidas y sistematizadas en el trabajo de Grossi Gallegos H. y Righini R., 2005 [9]. El mismo provee el dato de irradiación media mensual en el plano horizontal. Este
dato es a partir del cual es posible estimar el incremento/disminución de la irradiación solar en función de la inclinación y orientación del plano en cuestión.
En la figura 30 se muestran los mapas de la irradiación media mensual en todo el país.
Se pueden consultar estos mapas en el visor SIG de la secretaria de Energía. https://sig.energia.gob.ar/visor/visorsig.php
TEST DE EVALUACIÓN
< Lección 6
Lección 8 >