UNIVERSIDAD NACIONAL DE JULIACA INGENIERIA DE ENERGIAS RENOVABLES
BIOCLIMATICA SOLAR CLASE 01
CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LA RADIACIÓN SOLAR
INTRODUCCIÓN.
Desde el punto de vista energético, cabe destacar que el sol es la fuente última de la energía solar, así como también lo es de casi el resto de otras fuentes de energía renovables, y de todos los combustibles fósiles. De esta manera, se puede establecer una clasificación del aprovechamiento de la energía solar a través de medios fototérmicos, fotovoltaicos, fotoquímicos y biomásicos.
UNA APROXIMACIÓN AL SOL.
El sol es un astro compuesto por gases a alta temperatura (plasma), básicamente por hidrógeno y helio, y con una masa total de aproximadamente 1,99 x 10 30 kg. (unas 334.000 veces la masa de la tierra). Se calcula que tiene una antigüedad de unos 4.500-5.000 millones de años, y que va a seguir proporcionando energía durante 5.000-8.000 millones de años más antes de que se convierta en un cuerpo frío.
INTENSIDAD DE EMISIÓN SUPERFICIAL ABSOLUTA DIÁMETRO DEL SOL MASA SOLAR TEMPERATURA DE EQUILIBRIO EN LA SUPERFICIE SOLAR COMPOSICIÓN EN L A CAPA EXTERIOR DEL SOL DISTANCIA TIERRA-SOL
3,76 ·1014 TW 1.392.000 km. 1,99 ·10
30
kg.
5.776 K 75% Hidrógeno 23% Helio 2% Otros gases 149.000.000 km
Temperatura en el interior: 60 millones de °K en el núcleo. 6,000 °K en la superficie 2 millones de °K en la corona solar
En la superficie solar tienen lugar erupciones solares, que provocan la expulsión de masa solar hacia el espacio. Efecto conocido como viento solar, que provocan alteraciones magnéticas, llegando incluso a alcanzar la atmósfera terrestre, y produciendo fenómenos como los de las auroras polares, o interferencias en las ondas de radio o telecomunicaciones
LA CONSTANTE SOLAR.
El sol pierde cada segundo 4,2 millones de toneladas de materia que se transforman en energía, ello representa una energía de:
Esta energía se irradia por el espacio con simetría esférica en todas direcciones. Como es lógico, no toda la energía que emite el sol alcanza la tierra. En realidad, de los 3,78·10 14 TW, tan sólo 173.000 TW son interceptados por el planeta. A pesar de ser una cantidad mucho menor a la disponible inicialmente, supera con creces el consumo máximo existente a nivel mundial.
POTENCIA QUE RECIBE UNA SUPERFICIE DE 1m2 EN LA TIERRA, QUE SE HALLA PERPENDICULAR AL SOL.
Con este fin, bastará dividir la potencia emitida por el sol por los metros cuadrados de una hipotética esfera que envolviera al sol y que tuviera como radio la distancia tierra-sol.
CONSTANTE SOLAR : 1353 W/m2
LA RADIACIÓN SOLAR La radiación que recibimos del sol se compone exclusivamente de radiación electromagnética. La energía calorífica transmitida por radiación es transportada por ondas (se sabe que la trasferencia de calor por radiación es la única que no requiere de un medio para su propagación, transmitiéndose en el vacio). Todas las radiaciones electromagnéticas se propagan a igual velocidad, pero se pueden distinguir por su longitud de onda. No toda la radiación que se recibe del sol lo es en forma de luz visible (47%), sino también en forma de rayos infrarrojos (46%) y ultravioletas (7%).
•
Factores que afectan la cantidad de radiación solar • Geográficos
– Latitud – Exposición – Inclinación del Suelo • Atmosféricos – (Nubosidad) – Atmósfera Partículas en Suspensión (naturales y
antropicas) • Otros – Estación del Año – Hora del Día
Radiación solar Día despejado
Día despejado con nubes dispersas Mucha nubosidad
Hora 6
18
RS
Aprox en el ecuador Copiapo Santiago Valdivia
J
EN
J
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LA ATMÓSFERA. A su paso por la atmósfera, la radiación solar sufre diversos procesos de atenuación y esparcimiento como resultado de su interacción con los distintos componentes atmosféricos: aerosoles, nubes y moléculas de ozono, dióxido de carbono, oxígeno, agua, etc. a) La disminución de la energía de radiación total disponible a nivel de suelo, respecto de la disponible en el límite superior de la atmósfera. b) La modificación de las características espectrales y distribución espacial de la radiación.
Radiación solar de longitud de onda:
El vapor de agua absorbe, fundamentalmente, en la zona infrarroja,
inferior a 0,29 a partir de 0,35
es absorbida por el ozono , desaparece la absorción de radiación por dicho gas,
volviendo a incrementarse en las proximidades de 0,6 A partir de longitudes de onda de 2,3 , la transmisión de la radiación solar en la atmósfera se hace prácticamente nula, debido a la absorción por parte del agua y dióxido de carbono.
Scattering. (esparcimiento) es la atenuación de la radiación solar extraterrestre y su redistribución en todas las direcciones de espacio sin cambio significativos en la longitud de onda (el vapor de agua, los aerosoles, y los componentes moleculares). Radiación directa. Es la recibida a nivel de la tierra sin que los rayos del sol hayan variado de dirección. Radiación difusa. Es la que ha sufrido procesos de refracción, reflexión y absorción en la atmosfera (vapor de agua, nubes, niebla, etc).
Reflectividad o Albedo (r). Es la radiación reflejada por la superficie de la tierra
La reflectancia es la proporción de luz reflejada por una superficie y se determina comparando los lúmenes que inciden en ella
De la radiación solar que llega a la tierra, los captadores pueden emplear tres componentes: La d irecta, la. difusa y la reflejada
Finalmente, como dato, mencionar que la energía solar total incidente en un día completo puede superar los 8 kWh/m 2 en un emplazamiento situado en unos 40º de latitud, con una mediana anual sobre una superficie horizontal de unos 4,5 kWh/m2. “Se concluye que la aplicación del modelo empírico Bristow y Campbell, resulta de gran utilidad
para la obtención de una base de datos completa de radiación solar global de la ciudad de Puno, obteniéndose un valor máximo de 7.0071 KWh/m2 en el mes de diciembre del 2015 y un valor mínimo de 4.5836 KWh/m2 en el mes de abril del 2016. ” Fuente: Estimación de la Radiación Solar Global en la Ciudad de Puno, mediante la aplicación del Modelo Bristow y Campbell”.
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LOS MATERIALES. En función de sus características superficiales, los cuerpos que reciben radiación solar absorben parte de ella y reflejan el resto. ABSORBANCIA.
α = 1: cuerpo negro perfecto (absorbe toda la radiación y no emite
ninguna) α = 0: espejo perfecto (refleja toda la radiación que llega) En realidad los cuerpos son grises: α < 0,03 (superficies especulares) - 0,97 (color negro mate) >
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LOS MATERIALES. EMITANCIA.
Esta relacionada con la capacidad de enfriamiento por radiación de un cuerpo. ε = 0: superficie brillante ε = 1: superficie rugosa Si se compara diferentes cuerpos, se enfriara antes el que tenga mayor emitancia. El sol emite radiación de onda corta, mientras que el material emite en radiación de onda larga. (Nos interesa que el material captador tenga una absorbancia elevada en la franja visible y del infrarrojo próximo y una emitancia reducida en el rango del infrarrojo lejano – no pierda calor)
MATERIAL
ABSORBANCIA
Aluminio pulido Aluminio anodizado Hierro Cobre pulido Oro
,10
0
0,10
0,14 0,44 0,35 0,21
0,77 0,1 --0,03
Pintura acrílica de negro 0,94 de humo Pintura acrílica blanca
EMITANCIA
0,25
0,83 0,90
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LOS MATERIALES. SELECTIVIDAD.
COMENTARIO. Una superficie selectiva estácobre, compuesta porque unavala metaluna muyreducida pulido (aluminio, acero inoxidable, hierro) emitancia. A su vez, sobre esta placa se depositan, por diversos procedimientos químicos, partículas de un tamaño de hasta 3 micras, que garantizan que no se emitirá en longitudes de onda significativamente mayores que las de su propio tamaño. Se considera una selectividad elevada aquella que supera el valor de 5.
MATERIAL
ABSORBANCIA
"Níquel negro" (electrodeposición de níquel, zinc y otros materiales)
0,91
0,12
7,58
0,93
0,11
8,45
0,89
0,17
5,23
Óxido de cobre sobre aluminio
EMITANCIA
SELECTIVIDAD
(tratamiento químico) Óxido de cobre sobre cobre (tratamiento químico) Sulfuro de plomo sobre aluminio
0,88
0,20
4,4
Carbono sobre cobre "Ebano"
0,9
0,16
5,63
INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LOS MATERIALES. MATERIALES TRANSPARENTES. Éstos lo son a determinadas longitudes de onda. De esta manera, un vidrio de ventana es transparente para el visible y el infrarrojo próximo, pero no lo es para el ultravioleta y para el infrarrojo lejano. COEFICIENTE DE TRANSMITANCIA.
El coeficiente de transmitancia depende del valor del ángulo de incidencia de la radiación.
