Teoria y Naturaleza de La Energia Solar

TEORIA Y NATURALEZ DE LA ENERGIA SOLAR

ENERGIA SOLAR

ENERGIA SOLAR: ASPECTOS FUNDAMENTALES

EL SOL

El sol es una esfera gaseosa altamente caliente de un dimetro aproximado de 1.39*106 Km y est alejado una distancia promedio de 1.5*108 Km. Segn se ha observado desde la tierra, el sol completa una vuelta alrededor de su eje en cuatro semanas. Sin embargo no gira como lo hara un cuerpo slido, as el ecuador demora cerca de 27 das en completar una rotacin y la regin de los polos cerca de 30 das.

La temperatura en la superficie es de 5762K, en la regin central se estima una temperatura entre 8*106 a 40*106 K y una densidad de 80 a 100 veces mayor que el agua. Hay la teora de que el sol obtiene energa debido a un proceso continuo de fusin, siendo una de las reacciones ms importantes la combinacin de tomos de hidrogeno (cuatro protones) para formar helio.

La masa del ncleo de helio formado es menor que los 4 protones de hidrogeno. La materia perdida en la reaccin se convierte en energa.

4H (en reacciones sucesivas) He + Energa

Donde Energa =mC2

m = masa reactante de H masa resultante de He

Esta energa es producida en el interior del sol, a una temperatura de varios millones de grados, se transfiere a la superficie y luego es irradiada al espacio, deben ocurrir procesos sucesivos de emisin, absorcin y reradiacion. La radiacin proveniente del ncleo del sol debe estar en el rango de los rayos X y gamma, las otras longitudes de onda del espectro van en aumento conforme la temperatura disminuye en direccin radial.

Se estima que el 90% de la energa se genera en la regin de 0 a 0.23R que contiene el 40% de la masa. A una distancia de 0.7R del centro, la temperatura desciende a 130000K y la densidad cae a 0.07g/cm3, aqu los procesos de conversin comienzan a ser importantes, por esto la zona de 0.7R a 1.0R es conocida como la zona convectiva dentro de esta zona la temperatura cae a cerca de 5000K y la densidad a 10-8g/cm3.

LA ESTRUCTURA DEL SOL

-A) 40% de la masa, 15% del volumen y 90% de energa generada

T= 88-40)*106 K y = 100g/cm3

-B) Zona convectiva

T = 130 000K y = 0.07 g/cm3

-C) T = 5000K y = 10-8 g/cm3

FOTOSFERA

La superficie del sol aparece compuesta de grnulos (clulas irregulares de conveccin) con dimensiones de 1000 -3000 Km y tiempos de vida de pocos minutos. La capa superior de la zona convectiva es llamada FOTOSFERA. El contorno de la fotosfera es muy bien definido aun cuando los gases de esa zona son de baja densidad y es esencialmente opaco, debido a que los gases estn fuertemente ionizados. La fotosfera es la fuente de la mayor parte de la radiacin solar lanzada al espacio.

CAPA DE REVERSION-CROMOSFERA-CORONA

En las afueras de la fotosfera hay una atmosfera solar ms o menos transparente y que es observada durante los eclipses totales o con instrumentos que ocultan al disco solar. Encima de la fotosfera hay una capa de gases ms fros de varios de cientos de Km de altura llamada CAPA DE REVERSIN. En las afueras de esta hay otra capa llamada CROMOSFERA con una altura de cerca de 10 000 Km. Esta capa gaseosa tiene una temperatura algo ms alta que la fotosfera pero menos densa. La ltima capa del sol es la CORONA de una bajsima densidad y muy alta temperatura (106K).

SOL -CUERPO NEGRO

Como vemos el sol no funciona como un radiador de temperatura fija. La radiacin solar es pues el resultado de la composicin de diversas capas que emiten y absorben radiacin de varias longitudes de onda. Para muchos propsitos es suficiente considerar al sol como un cuerpo negro que irradia a una temperatura cercana a 5762K (procesos trmicos), para otros procesos debemos tener en cuenta la longitud de onda en lo que la distribucin espectral es importante (fotoqumicos, fotovoltaicos).

UNIDAD ASTRONOMICA

LA CONSTANTE SOLAR

Se define constante solar ISC a la energa recibida sobre una unidad de rea de una superficie perpendicular a la radiacin por unidad de tiempo, medido en las afueras de la atmosfera terrestre y a la distancia media tierra-sol, 1 unidad astronmica (1ua)

C.G. Abbot: ISC = 1322 W/m2 (1954)

F.S. Johnson: ISC = 1395 W/m2 (1954)

K. Thekaekara y A. Brusmond: ISC = 1353 W/m2; ISC = 1.94 cal/cm2-min= 428BTU/hr-pie2 = 4871 Kj/hr-m2 (1971)

LA CONSTANTE SOLAR

Nimbus and Mariner satellites: ISC = 1373 W/m2, error del 2% y con Hickey (1978)

Willson: ISC = 1368 W/m2 (1982)

Duncan, mediciones de tres vuelos de cohetes reportados (1982) fueron 1367, 1372, y 1374 W / m2 (1982)

La World Radiation Center (WRC) ha adoptado el valor de ISC = 1367 W/m2 con una incertidumbre del orden del 1%, ISC = 1.960 cal/cm2-min= 433BTU/hr-pie2 = 4921 Kj/hr-m2

DISTRIBUCION ESPECTRAL DE LA RADIACION EXTRATERRESTRE

La radiacin que se recibe en ausencia de la atmosfera. La WRC muestra en grfica y tabla de la irradiancia espectral a una distancia media tierra-sol.

VARIACION DE LA RADIACION EXTRATERRESTRE

La variacin de la distancia tierra-sol hace que vari la radiacin extraterrestre en un rango de +/- 3.3%, se dan las ecuaciones de Spencer.

A =

B =

Donde Gon es la radiacin extraterrestre incidente sobre el plano normal a la radiacin n es el da del ao

se muestra la dependencia de la radiacin extraterrestre con el tiempo (meses)

MASA DE AIRE m

La relacin de la masa de la atmsfera a travs del cual pasa haz de radiacin a la masa que pasara a travs de si el sol estuviera en el cenit

As, en el nivel del mar m = 1, cuando el sol est en el cenit y m = 2 para un ngulo cenital z de 60. Para ngulos cenitales de 0 a 70 a nivel del mar, a una aproximacin cercana,

Una relacin emprica donde h es la altura en metros para ngulos zenitales cercanos a 90

RADIACION

RADIACION DIRECTA: La radiacin solar recibida del sol sin haber sido dispersada por la atmsfera.

RADIACION DIFUSA: La radiacin solar recibida del sol despus de su direccin ha sido cambiada por la dispersin por la atmsfera. la definicin utilizada aqu distinguir la radiacin solar difusa de la radiacin infrarroja emitida por la atmsfera.

RADIACION SOLAR TOTAL: La suma de la radiacin solar directa y difusa sobre una superficie. (Las medidas ms comunes de la radiacin solar son la radiacin total en una superficie horizontal, a menudo referida como la radiacin global sobre la superficie.)

IRRADIANCIA W/m2: Es el valor de la energa radiante incidente sobre una superficie por unidad de superficie. El smbolo G es usado para irradiancia solar.

TIEMPO SOLAR

Tiempo basado en el movimiento angular aparente del sol a travs del cielo con el medioda solar cuando el sol cruza el meridiano del observador.

El tiempo solar es el tiempo utilizado en todas las relaciones sol-ngulo; no coincide con la hora del reloj local. Es necesario convertir la hora estndar al tiempo solar mediante la aplicacin de dos correcciones. En primer lugar, hay una constante de correccin de la diferencia de longitud entre el meridiano del observador (longitud) y el meridiano en el que se basa la hora estndar local. El sol tarda 4 minutos para atravesar 1 de longitud. La segunda correccin es de la ecuacin del tiempo, que tiene en cuenta las perturbaciones en el ritmo de la Tierra de la rotacin que afectan a la vez que el sol cruza el meridiano del observador. La diferencia en minutos entre la hora solar y la hora estndar es:

E es el la ecuacin del tiempo en minutos de Spencer:

Tambin hay figuras y analemas, mostramos el grafico

TIEMPO SOLAR

E es el la ecuacin del tiempo en minutos de Spencer:

E = 229.2(A+B)

A =

B =

Tambin hay figuras y analemas, mostramos el grafico

Tambin hay figuras y analemas, mostramos el grafico

La ecuacin del tiempo en minutos como funcin del ao

ANGULOS SOLARES

Dado que los movimientos de la tierra y el sol son relativos entre s, en el anlisis se sigue que la tierra esta fija en el espacio, que el sol describe un movimiento virtual alrededor de esta y que el origen del sistema de coordenadas se localiza en el lugar de inters situado en la tierra. As que el sol est restringido a moverse con dos grados de libertad.

ANGULO BASICOS TIERRA-SOL

LATITUD (: es el Angulo que determina el lugar de inters sobre la tierra, con respecto al plano del ecuador terrestre. Hemisferio norte positivo y hemisferio sur negativo. -90 90

ANGULO HORARIO ( es el desplazamiento angular del sol del este al oeste del meridiano del lugar debido a la rotacin de la Tierra sobre su eje, a 15 de longitud por hora; en la maana negativo, positivo por la tarde. Al medioda solar es cero.

ANGULO BASICOS TIERRA-SOL

DECLINACION : La posicin angular del sol al medioda en el meridiano local con respecto al plano del ecuador.

La ecuacin de Cooper (1969):

n = 1, para el primero de enero.

-23.45 23.45

DECLINACION

Spencer (1971):

A =

B =

C =

DECLINACION

INCLINACION O PENDIENTE (i, )

El ngulo entre el plano de la superficie en cuestin y la horizontal; 0 180. (> 90 Que significa que la superficie tiene un componente que mira hacia abajo).

AZIMUTH SUPERFICIE ()

La desviacin de la proyeccin sobre un plano horizontal de la normal a la superficie del meridiano local, con cero hacia el sur, este negativo y oeste positivo. -180 180

ANGULOS DERIVADOS

Describen la posicin del sol en el cielo

ZENITAL (Z)

Angulo que la visual al sol forma con el zenit

ALTITUD SOLAR (S, )

Angulo que la visual al sol forma con el horizonte

AZIMUTH SOLAR (S)

El ngulo que hace la proyeccin de los rayos del sol sobre el plano horizontal con respecto al sur verdadero. Desplazamiento al este del sur son negativos y hacia el oeste del sur son positivos.

ANGULO DE INCIDENCIA ()

Es el ngulo que forma el rayo solar con la normal a la superficie receptora.

Hay un conjunto de relaciones tiles entre estos ngulos. Ecuaciones que relacionan el ngulo de incidencia de la radiacin de haz en la superficie, , a los otros ngulos:

El ngulo puede exceder 90, lo que significa que el sol esta tras la superficie.

ANGULO DE INCIDENCIA

A =

B =

C =

D =

E =

SIMPLIFICACIONES

-Para superficies verticales = 90

Orientada hacia el sur, = 90 y = 0

-Para superficie inclinada hacia el sur = 0 (hemisferio norte)

--Para superficie inclinada hacia el norte = 180 (hemisferio sur)

-Para el caso especial del medioda solar superficie inclinada mirando al sur en el hemisferio norte

--Para el caso especial del medioda solar superficie inclinada mirando al norte en el hemisferio sur

-Cuando = 0, ngulo de incidencia es igual al ngulo zenital, para el hemisferio norte:

y para el hemisferio sur:

ANGULO ZENITAL

-Para superficies horizontales, el ngulo de incidencia es igual al ngulo zenital, para lo cual

= 0

ANGULO AZIMUTAL SOLAR S

El signo de la funcin es positivo si w es positiva de lo contrario es negativo

ANGULO HORARIO PUESTA DEL SOL

Para Z = 90, wS es el ngulo horario de la puesta del sol, por lo que:

El ngulo horario del amanecer es el negativo del ngulo horario atardecer: 2wS

NUMERO MAXIMO DE HORAS DE SOL

Como una hora es equivalente a 15 de giro de la tierra alrededor de su eje de rotacin, entonces

Nomograma para determinar tiempo de puesta del sol y duracin del da