El Recurso Solar

Espinoza, Luzelen

Módulo 1. El Recurso Solar  Módulo 1. El Recurso Solar

Módulo 1. El Recurso Solar 

EL RECURSO SOLAR

Al finalizar este curso, el estudiante deberá estar en capacidad de: 

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Identificar las principales fuentes de atenuación de la radiación solar. Calcular el recurso solar disponible en un lugar determinado en superficies horizontales e inclinadas.

Para lograrlos, a continuación los temas que se analizarán: 

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El sol La radiación solar Factores que modifican la irradiancia solar Coordenadas solares Diagramas solares El concepto de hora solar pico Radiación solar en superficies inclinadas Mapas y bases de datos de radiación solar Dispositivos de medida de radiación

Por favor, navegar por el índice que se encuentra a la izquierda.

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1. El Sol 1. El Sol

1. El Sol El Sol es la fuente de energía más importante y abundante que existe en la Tierra. Además de ser gratuita y limpia, la energía solar es prácticamente inagotable ya que está garantizada para los próximos 6000 millones de años. Se estima que la cantidad de energía anual proveniente del Sol a la  Tierra corresponde a 3x1024 Joules, es decir, 10.000 veces más energía del consumo actual de la población mundial [1]. El Sol es una estrella esférica de plasma caliente y de campos magnéticos internos. El plasma es el cuarto estado de la materia, es un gas que contiene iones positivos y electrones libres cuya carga total es prácticamente nula. Se produce a muy bajas presiones o a muy altas temperaturas, como lo es el caso de las estrellas y el Sol. La temperatura aparente del Sol es de aproximadamente 5780 K o equivalentemente 5507ºC (ver Cuadro 1). Como veremos posteriormente, la temperatura del Sol tiene una relación directa con la cantidad de energía que emite hacia la Tierra. El diámetro del Sol es de 1.390.000 km, esto es, 109 veces más grande que la Tierra. Si el Sol fuera una bola de fútbol la Tierra sería un grano de arena. En el Sol se dan diversos procesos químicos y físicos. A estos procesos que están constantemente cambiando se les llama actividad solar. La actividad solar y su variabilidad son las principales preocupaciones de nuestra sociedad moderna, cada vez más tecnológica. Las llamaradas solares y erupciones de masa coronal pueden inhabilitar satélites, causar fallos en las redes eléctricas, e interrumpir comunicaciones. Las actividades solares son tan poderosas que incluso pequeños cambios en su magnitud pueden tener efectos sobre el clima en la Tierra.

Cuadro 1 Las unidades de la temperatura

La temperatura es una medición objetiva de frío y caliente. Existen diferentes unidades de medida que se utilizan para cuantificar la energía. Por razones históricas dichas unidades de medida tienen escalas con puntos de referencia distintos. Por ejemplo, los grados celsius utiliza como punto de referencia el punto de congelación del agua (0ºC). Por otro lado, escala de medición de temperatura kelvin, cuyo símbolo es K, utiliza como punto de referencia la temperatura teórica más baja posible, llamada cero absoluto. absoluto. Para convertir de grados Kelvin a Celsius se utiliza la siguiente ecuación:  Tc=Tk-273.15 En donde Tk es la temperatura en grados kelvin y Tc es la temperatura en grados celsius.

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1. El Sol 1. El Sol

1. El Sol El Sol es la fuente de energía más importante y abundante que existe en la Tierra. Además de ser gratuita y limpia, la energía solar es prácticamente inagotable ya que está garantizada para los próximos 6000 millones de años. Se estima que la cantidad de energía anual proveniente del Sol a la  Tierra corresponde a 3x1024 Joules, es decir, 10.000 veces más energía del consumo actual de la población mundial [1]. El Sol es una estrella esférica de plasma caliente y de campos magnéticos internos. El plasma es el cuarto estado de la materia, es un gas que contiene iones positivos y electrones libres cuya carga total es prácticamente nula. Se produce a muy bajas presiones o a muy altas temperaturas, como lo es el caso de las estrellas y el Sol. La temperatura aparente del Sol es de aproximadamente 5780 K o equivalentemente 5507ºC (ver Cuadro 1). Como veremos posteriormente, la temperatura del Sol tiene una relación directa con la cantidad de energía que emite hacia la Tierra. El diámetro del Sol es de 1.390.000 km, esto es, 109 veces más grande que la Tierra. Si el Sol fuera una bola de fútbol la Tierra sería un grano de arena. En el Sol se dan diversos procesos químicos y físicos. A estos procesos que están constantemente cambiando se les llama actividad solar. La actividad solar y su variabilidad son las principales preocupaciones de nuestra sociedad moderna, cada vez más tecnológica. Las llamaradas solares y erupciones de masa coronal pueden inhabilitar satélites, causar fallos en las redes eléctricas, e interrumpir comunicaciones. Las actividades solares son tan poderosas que incluso pequeños cambios en su magnitud pueden tener efectos sobre el clima en la Tierra.

Cuadro 1 Las unidades de la temperatura

La temperatura es una medición objetiva de frío y caliente. Existen diferentes unidades de medida que se utilizan para cuantificar la energía. Por razones históricas dichas unidades de medida tienen escalas con puntos de referencia distintos. Por ejemplo, los grados celsius utiliza como punto de referencia el punto de congelación del agua (0ºC). Por otro lado, escala de medición de temperatura kelvin, cuyo símbolo es K, utiliza como punto de referencia la temperatura teórica más baja posible, llamada cero absoluto. absoluto. Para convertir de grados Kelvin a Celsius se utiliza la siguiente ecuación:  Tc=Tk-273.15 En donde Tk es la temperatura en grados kelvin y Tc es la temperatura en grados celsius.

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Figura 1. Imagen del Sol tomada por el satélite del SDO (“Solar Dynamic Observatory”) de la NASA. Contrariamente a una creencia popular, el Sol es de color blanco en lugar de amarillo cuando se ve desde el espacio o desde lo suficientemente alto en el cielo.

Algunas otras características importantes del Sol se enlistan a continuación: 

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Edad: 4,600,000,000 años. Composición: 75% hidrógeno, 23 % helio, 2 % otros gases La distancia entre el Sol y la Tierra es de 149,800,000 km. Esta distancia se conoce como 1 AU (AU: Unidad Astronómica).

_________________________ _____________________________________ ______________ [1]. M. Grätzel. Photovoltaic and photoelectrochemical conversion of solar energy. Phil. Trans. R. Soc. A, 365:993–1005, 2007.

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El Sol y las energías renovables El Sol y las energías renovables

El Sol y las energías renovables La actividad solar en la Tierra da origen a la gran mayoría de los recursos energéticos renovables, como por ejemplo: 

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Energía solar térmica: Por medio de colectores solares se puede almacenar o transmitir calor que

para ser utilizado de diferentes maneras. Energía solar fotovoltaica: la radiación solar provoca el efecto fotoeléctrico en cierto tipo de materiales. Eólica: el Sol calienta masas de aire lo cual ocasiona diferencia de temperatura entre ellas, originando corrientes de viento. Hidroeléctrica: el Sol calienta y evapora el agua en la superficie de los océanos y ríos. A medida que se eleva, el aire humedecido se enfría y el vapor se transforma en agua. Estas gotas se juntan y forman una nube. Luego, caen por su propio peso ocasionando la lluvia, la cual forma las corrientes de agua que permiten la generación hidroeléctrica. Biomasa: las plantas absorben CO 2 que, con ayuda del Sol y una mezcla de nutrientes, se convierte en azúcares y O2.

Figura 2. Procedencia de las fuentes de energía renovable

Como lo muestra la Figura 2, dentro de las energías renovables existe un grupo que realiza el aprovechamiento directo de la energía solar. En estos casos, para poder evaluar el recurso solar del cual se dispone, es preciso conocer el tiempo de exposición al Sol anual y la intensidad con que llegará la energía a un lugar específico. Estos parámetros dependen de varios factores locales como la inclinación, orientación, los obstáculos del emplazamiento y de otros factores generales como la localización geográfica o el tipo de aprovechamiento energético.

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2. La radiación solar  2. La radiación solar

2. La radiación solar  Para poder comprender mejor cómo la energía procedente del Sol interactúa con la atmósfera de la  Tierra y la superficie terrestre, se deben conocer los principios básicos de las leyes naturales que rigen la radiación: 

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 Todos los objetos con temperatura mayor de 0º K (-273ºC) emiten energía en forma de radiación, como por ejemplo el Sol, las personas o la Tierra. Los objetos con mayor temperatura radian más energía por unidad de superficie que los objetos fríos. El Sol, cuya temperatura media es de 5.800 K, emite en su superficie 64.000.000 W/m 2 . Para hacernos una idea, la energía irradiada en un segundo por el Sol es mucho mayor que la consumida por toda la humanidad desde su existencia hasta nuestros días. En cambio la Tierra, cuya temperatura media en su superficie es de 15 K, emite aproximadamente 390 W/m 2.

El Sol emite energía en forma de ondas electromagnéticas que se desplazan a una velocidad en vacío de 300.000 km/s. Con lo cual considerando una distancia media entre el Sol y la Tierra de 1 AU (unidad astronómica) = 149.800.000 km, se tiene que la energía solar tarda en llegar a la Tierra un poco más de 8 minutos. La energía radiante en ondas electromagnéticas se caracteriza por dos parámetros: 

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la longitud de onda λ y la frecuencia ν

Ambos son inversamente proporcionales; es decir, una radiación de longitud de onda corta tendrá elevada frecuencia. La energía irradiada está compuesta por varias ondas electromagnéticas con distintas longitudes de onda. De esta forma, para caracterizar la energía electromagnética radiada se utiliza un gráfico que muestra la intensidad del flujo de energía en función de la longitud de onda, tal y como el que se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Espectro de la radiación solar en la Tierra

Como se puede deducir del anterior gráfico, la energía irradiada consiste de ondas electromagnéticas que están asociadas a distintas cantidades de energía. La energía emitida por el Sol la percibimos como luz; no obstante, como se puede apreciar en la Figura 3, el Sol emite radiación en todas las longitudes de onda existentes, aunque la mayor parte de la energía llega a la Tierra en forma de radiación del espectro visible e infrarrojo (7 % ultravioleta, 47,3 % visible y 45,7 % infrarrojo). La radiación solar emitida en longitudes de onda fuera del rango Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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mencionado no atraviesan la atmósfera terrestre. La cantidad de energía que llega a la Tierra procedente del Sol depende de factores como la difusión debida al polvo, la contaminación del aire que provocan los aerosoles, o los efectos meteorológicos como la nubosidad, la lluvia o la nieve.

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¿Cómo se mide la energía irradiada? ¿Cómo se mide la energía irradiada?

¿Cómo se mide la energía irradiada?

Radiación solar

La energía irradiada se cuantifica sobre un área dada. En el caso de la energía solar, denominaremos la energía irradiada radiación solar (H). Nótese que, dado que el Sol está constantemente La radiación solar (H) se irradiando energía, la radiación solar en un área será mide en Wh/m² o J/m2 siempre creciente; esto es, conforme avance el tiempo . existirá cada vez más energía. Es por ello que la radiación solar en un sitio dado se suele dar en un período de tiempo dado, normalmente, diario, mensual o anual.

De igual manera que hablamos de una potencia eléctrica en circuitos eléctricos, también podemos hablar de una “potencia” de radiación solar. Irradiancia En este caso a la energía solar incidente por unidad de La irradiancia solar se solar tiempo le llamamos Irradiancia Solar; y utilizamos la cuantifica en W/m2. letra I para referirnos a ella. De igual forma que con la radiacion solar, la irradiancia se cuantifica en una superficie específica.

Constante solar

Se denomina constante solar a la irradiancia procedente del Sol que incide perpendicularmente sobre la superficie de la atmósfera terrestre. Paradójicamente, este valor no es constante, ya que depende de la distancia entre el Sol y la Tierra, y ésta varía a lo largo del año. La irradiación incidente en la superficie de la Tierra será siempre menor a la constante solar.

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De las distintas mediciones que se han hecho de la constante solar, se estima que su valor medio se sitúa entre 2 1.338 y 1.368 W/m . Uno de los valores más utilizados es el obtenido por la NASA, el cual fue 2 fijado en 1.353 W/m . No obstante, se han realizado mediciones más exactas como la del World Radiation Center y han fijado el valor en 1.367 2 W/m .

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3. Factores que modifican la irradiancia solar  3. Factores que modifican la irradiancia solar

3. Factores que modifican la irradiancia solar 

Como se ha mencionado anteriormente, existen varios factores que afectan la irradiancia solar en la superficie terrestre. Estos son: • La absorción y reflexión de radiación de los elementos que existen entre la atmósfera y la superficie terrestre. • La masa de aire entre la atmósfera y la superficie terrestre. • La posicion relativa del Sol y la Tierra. Estos factores se explicarán en detalle a continuación.

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3.1 Absorción y reflexión 3.1 Absorción y reflexión

3.1 Absorción y reflexión Entre la atmósfera y la superficie terrestre existen varios elementos que absorben o reflejan la radiación solar. La mayoría de los gases atmosféricos, como por ejemplo el oxígeno y el nitrógeno, son transparentes a la radiación solar incidente. No obstante, el vapor de agua, el dióxido de carbono, el metano y otros gases similares absorben parte de la energía proveniente del Sol. Es importante recalcar, que tal y como lo representa la Figura 3 que se incluyó anteriormente, la absorción de energía atmosférica se produce a longitudes de orden determinados. Así mismo, también la atmósfera es responsable por la reflexión al espacio de un porcentaje de la irradiancia incidente. De esta forma, en promedio llega a la superficie terrestre el 70 % de irradiancia que se obtiene en la atmósfera. El balance de radiación solar

 Teniendo en cuenta la noche y el día y las estaciones del año, en promedio alrededor de 340 W de irradiancia entran en cada metro cuadrado de la Tierra. Parte de la luz solar es reflejada de vuelta al espacio por las nubes y la atmósfera (en particular partículas de polvo o aerosoles en la atmósfera). Un poco más de luz solar se refleja al espacio desde la superficie de la Tierra, en particular de las regiones brillantes como nieve y zonas cubiertas de 2 hielo. En total, alrededor del 30% (104 W/m ) de la luz solar se refleja directamente de vuelta al espacio. Este porcentaje se denomina el albedo. 2

Alrededor de 161 W/m  de irradiancia es absorbida por la superficie terrestre mientras que aproximadamente 78 W/m2 es absorbida por la atmósfera. En total, el sistema terráqueo (atmósfera y superficie) absorben el 70% de la energía que proviene del Sol. Esta energía calienta la superficie terrestre.  Todo cuerpo con una temperatura mayor a los 0 K emite radiación electromagnética. De esta forma, la Tierra también emite energía al espacio, logrando un equilibrio energético tal y como se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Diagrama que muestra el balance energético de la atmósfera de la Tierra. En amarillo se muestra la irradiancia incidente. En rojo la emisión de radiación al espacio de la Tierra.

Componentes de la radiación solar

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Los fenómenos de absorción y reflexión que ocurren en la atmósfera originan distintos tipos de radiación solar. Por ejemplo, cuando vemos los objetos iluminados por la luz natural en un día nublado no percibimos sombras. Esto es porque la radiación solar ha sufrido cambios de dirección debidos a las reflexiones y refracciones que se producen cuando atraviesa la atmósfera. Decimos entonces que tenemos radiación difusa. La radiación difusa no tiene una única dirección de incidencia y por tanto no se puede concentrar. Cuando la radiación solar no ha sufrido ningún tipo de modificación sino que tiene una única dirección de incidencia se denomina radiación directa. La radiación directa posee la particularidad de que puede ser concentrada (hay tecnologías solares con dispositivos que concentran la radiación solar). La radiación reflejada es la componente de la radiación que es reflejada por los elementos de la

superficie terrestre. El valor de esta reflexión dependerá del coeficiente de reflexión ó albedo que tenga la superficie. Por ejemplo, la nieve recién caída tiene un coeficiente de reflexión de 0,9; eso significa que el 90% de la radiación que llega es reflejada. En el otro extremo tendríamos por ejemplo el mar, con un coeficiente del 0,1. La radiación solar que llega a la superficie terrestre es la radiación global (Hg) y es el resultado de la unión de todas las componentes de la radiación: radiación directa (HD), radiación difusa (Hd) y radiación reflejada (Hr). Es decir:

Hg = HD + Hd + Hr

Figura 5. Componentes de la radiación solar

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3.2 Masa de aire entre la atmósfera y la superficie terrestre 3.2 Masa de aire entre la atmósfera y la superficie terrestre

3.2 Masa de aire entre la atmósfera y la superficie terrestre Masa de aire es una medida indicativa de espesor de la atmósfera que ha tenido que recorrer la radiación antes de llegar a la superficie terrestre. El acrónimo más utilizado para la masa de aire es AM por sus siglas en inglés (“Air Mass”). Esta distancia variará con la altura solar, de modo que cuando la altura solar sea 90º (incida totalmente vertical al lugar) tendremos AM = 1. Fuera de la atmósfera se tiene AM = 0. Al disminuir la altura solar aumentará el espesor de aire que tendrá que atravesar la radiación, disminuyendo la cantidad de energía que finalmente llega a la superficie de la Tierra.

Figura 6. Masa de aire para varias alturas solares

Como se verá en el siguiente tema, los paneles fotovoltaicos son caracterizados a una masa de aire igual a 1,5. Esto para poder comparar las características eléctricas de distintos paneles. Tabla 1. Masa de aire para distintas alturas solares

AM Altura solar* 

1 90º

1,5 42º

2 30º

3 20º

4 14,5º

5 11,5º

6 9,6º

*El concepto de altura solar se verá en la siguiente sección

La masa de aire se relaciona con el ángulo cenital mediante la siguiente expresión: AM = 1 / cos α siendo α el ángulo resultante de restar al cenit (90º) la altura solar.

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3.3 La posición relativa del Sol y la Tierra 3.3 La posición relativa del Sol y la Tierra

3.3 La posición relativa del Sol y la Tierra La posición relativa entre el Sol y la Tierra también determina la cantidad de radiación solar que se tiene durante el año. Esto, como se verá más adelante, es más relevante en lugares de la Tierra que se encuentra lejos de la línea ecuatorial. La Tierra realiza un movimiento de rotación a través de su eje, el cual marca la alternancia entre los días y las noches y tiene una duración aproximada de 24 horas. El eje de giro tiene una inclinación de 23,5º respecto del plano de traslación. A su vez, también realiza el movimiento de traslación, en una trayectoria elíptica en torno al Sol. Al ser dicha trayectoria elíptica, la distancia entre el Sol y la Tierra varía, dando lugar a épocas en las cuales llega mayor irradiancia sobre la superficie terrestre que en otras.

Figura 7. Los movimientos de la Tierra.

Estos movimientos influyen en las características del clima y en la distinta duración del día y la noche en un mismo lugar en distintos días del año, y entre distintos puntos de la Tierra el mismo día. Esto será fundamental para determinar el potencial y los lugares óptimos para instalaciones de aprovechamiento solar. Casos

Para comprender mejor de qué forma la órbita elíptica y la inclinación del eje de la Tierra afectan el recurso solar en distintos lugares de la Tierra,se compararán, en las siguientes pantallas, un par de casos hipotéticos con el caso real.

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Casos Casos

Casos Para comprender mejor de qué forma la órbita elíptica y la inclinación del eje de la Tierra afectan el recurso solar en distintos lugares de la Tierra, a continuación se compararán un par de casos hipotéticos con el caso real. Caso 1:

Vamos a suponer que el eje de inclinación de la Tierra es vertical al plano de translación y la traslación se realiza en una órbita circular en cuyo centro se encuentra el sol.

Figura 8. Representación gráfica del caso 1. Al ser la distancia entre la Tierra y el Sol constante no hay cambios en la irradiancia que llega a la  Tierra. A su vez, en un mismo lugar siempre habrá el mismo comportamiento solar y la altura solar no variará de un día a otro. Por tanto, tampoco habrá estaciones y los días durarán lo mismo que las noches en todo el mundo: 12 horas. Caso 2:

El eje de rotación de la Tierra sigue siendo vertical y la órbita de traslación es elíptica, en cuyo centro se encuentra el Sol.

Figura 9. Representación Caso 2. La distancia entre la Tierra y el Sol varía por lo que hay épocas en las que llega más irradiancia sobre la superficie terrestre que en otras. Esto marca la existencia de dos “estaciones” en todo el mundo: Invierno y Verano. Los días tienen la misma duración que las noches, 12 horas y no hay diferencias entre el hemisferio norte y el sur. Caso 3 (Caso real):

La órbita de traslación es elíptica; el Sol se encuentra en uno de los focos y el eje de rotación de la  Tierra está inclinado 23,5º. Este caso refleja los movimientos reales de la Tierra.

Figura 10. Representación Caso 3. En este caso aparecen 4 estaciones y los días no tienen la misma duración en el hemisferio norte ni en el hemisferio sur. Existe un día al año que es más largo que los otros y, equivalentemente, hay otro día que es más corto que los otros. A estos días se les denomina solsticios. A los días que tienen Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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igual cantidad de horas que sus noches se les llama equinoccio. Hemisferio Norte: • Solsticio de verano (21 Junio): día más largo (noche más corta) • Solsticio de invierno (21 de Diciembre): día más corto (noche más larga) • Equinoccio de primavera (21 de Marzo): día = noche • Equinoccio de otoño (21 de Septiembre): día = noche Hemisferio Sur: • Solsticio de verano (21 de Diciembre): día más largo • Solsticio de invierno (21 de Junio): día más corto • Equinoccio de primavera (21 de Marzo): día = noche • Equinoccio de otoño (21 de Septiembre): día = noche Así pues, las estaciones no las marca la proximidad entre la Tierra y el Sol, sino la inclinación del eje de la Tierra, que se mantiene fijo durante la traslación. Esto hace que los rayos del Sol incidan más perpendicularmente unos periodos del año que otros sobre un mismo punto.

Figura 11. Incidencia de los rayos solares en verano e invierno.

Como se ha observado, este hecho hace también que el día y la noche duren distinto número de horas. El motivo puede observarse en el siguiente esquema:

Es importante mencionar cuáles son los días significativos que marcan los puntos de máximo y mínimo alejamiento de la Tierra respecto al Sol (no confundir con Solsticios y Equinoccios). 

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4 Julio, Apogeo, se denomina así al día en el cual la distancia entre el Sol y la Tierra es máxima, siendo su valor 1,017 AU. 3 Enero, Perigeo, se denomina así al día en el cual la distancia entre el Sol y la Tierra es mínima, siendo su valor 0,983 AU. 4 Abril y 5 Octubre, en esos días el valor de la distancia entre el Sol y la Tierra es igual al valor medio anual, 1 AU.

En la Figura 12 aparece la trayectoria de la Tierra en su movimiento de traslación alrededor del Sol. Se observa dónde se dan los días de máximo y mínimo alejamiento de la Tierra respecto al Sol:

Figura 12. Trayectoria de la Tierra alrededor del Sol

 De esta forma, el verano del hemisferio sur es más cálido que el verano del hemisferio norte, porque Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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el verano en el hemisferio sur sucede cuando la Tierra está más cerca del Sol. La Figura 13 representa la variación en los valores de la irradiancia (en una superficie perpendicular a la incidencia de los rayos solares y fuera de la atmósfera) y de la distancia Tierra-Sol a lo largo del año en un sitio ubicado en el hemisferio Norte.

Figura 13. Variación de la Irradiancia y de la distancia Tierra-Sol a lo largo del año

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El Trópico El Trópico

El Trópico El trópico es la región de la Tierra que se encuentra alrededor del paralelo 0º o Ecuador. Más específicamente está limitado por el Trópico de Cáncer y el Trópico de Capricornio. El Trópico de Cáncer se encuentra en el hemisferio norte a una latitud de aproximadamente 23º (ver cuadro 2). El Trópico de Capricornio se encuentra en el hemisferio sur en el paralelo 23º. Nótese que estas latitudes se corresponden con el ángulo de inclinación de la Tierra. En todos los sitios ubicados en la zona tropical al menos una vez al año los rayos del Sol inciden de forma perpendicular sobre la superficie. Ver figura 14.

Cuadro 2 Coordenadas geográficas

Los parámetros que definen la situación de un sitio sobre el globo terrestre son: • Altitud: La altitud de un punto que se encuentra en la superficie terrestre es la altura media respecto al nivel medio del mar. • Latitud: Es el ángulo que forma el radio terrestre que va a un lugar concreto con el plano ecuatorial. Con esta definición tenemos que todos los puntos del ecuador tienen latitud 0º. A su vez todos los puntos de igual latitud están situados en una circunferencia ficticia denominada paralelo; se llaman así por estar en un plano paralelo al ecuatorial.

En el Trópico se tienen normalmente dos estaciones y las horas del día son muy similares a las horas de noche.

Figura 14. Radiación solar que incide en la zona del Trópico

Después de lo visto en este apartado, entendemos cómo la irradiancia recibida en el exterior de la atmósfera y sobre la superficie perpendicular depende de la distancia entre el Sol y la Tierra y esta distancia varía a lo largo del año. De hecho, se observa cómo los mayores valores de irradiancia se reciben durante los meses de invierno (en el hemisferio norte), coincidiendo con la menor distancia Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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Sol-Tierra. En el punto anterior hemos entendido que las estaciones no se producen por el mayor-menor acercamiento entre la Tierra y el Sol, sino por el distinto ángulo de incidencia de esta radiación en los dos hemisferios. Debido al buen ángulo de incidencia de la radiación solar sobre la superficie terrestre, las regiones comprendidas entre los trópicos delimitan la región conocida como zona cálida del planeta

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4. Coordenadas solares 4. Coordenadas solares

4. Coordenadas solares Al igual que es necesario establecer un sistema de referencia para conocer la posición exacta de un lugar en el planeta, (latitud, longitud y altitud), también es preciso determinar un sistema de referencia para conocer la posición del Sol. Aunque la Tierra es la que realiza el movimiento respecto al Sol, al efectuarse la medición de la posición solar respecto a la Tierra se considera que es ésta la que se encuentra estática y el Sol el que se encuentra en movimiento. Para conocer dicha posición del Sol es preciso determinar los siguientes ángulos: 



Altura solar (h): Es el ángulo formado por la dirección Sol-Tierra con el plano horizontal del emplazamiento. Angulo Acimutal (α): Es el ángulo formado por la proyección horizontal de la dirección Sol-Tierra con el sur. En el hemisferio Norte es positivo hacia el Oeste y en el hemisferio Sur lo es hacia el Este. En algunos casos el ángulo acimutal utiliza el Norte como referencia. Es importante siempre identificar cuál es el punto cardinal que se utiliza como referencia para el acimut.

Estos dos parámetros de posicionamiento solar se representan en la Figura 15. Una mayor altura solar implica una incidencia más directa, más perpendicular de la radiación solar y por tanto con más energía.

Figura 15. Sistema de coordenadas solares

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5. Diagramas solares 5. Diagramas solares

5. Diagramas solares

En los apartados anteriores se han explicado los parámetros de posicionamiento terrestre y solar.  También se ha indicado cómo dichos parámetros influyen en la energía que se puede aprovechar en un determinado lugar. Existen relaciones y ecuaciones para determinar los parámetros solares. No obstante, los diagramas solares permiten determinar de manera sencilla la altura y el acimut solar para cualquier época del año en un emplazamiento de latitud determinada. Nos corresponde entonces explicar los diagramas solares, los cuales son de dos tipos: cilíndrico y estereográfico.

Pero antes, es importante señalar que un mismo diagrama es solo válido para una latitud determinada y su equivalente en el hemisferio contrario. Por tanto, hay un diagrama para cada latitud. Además, hay que señalar que, como el método de cálculo es gráfico, debido a las imprecisiones que se generan en los métodos de cálculo gráfico, no tiene sentido la existencia de diagramas para lugares cuya latitud no es exactamente un número entero. En esos casos se aproxima al valor de latitud más próximo, sea mayor o menor. En las próximas dos pantallas se analizarán los diagramas cilíndricos y estereográficos.

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5.1 Diagrama cilíndrico 5.1 Diagrama cilíndrico

5.1 Diagrama cilíndrico Este diagrama representa en el eje horizontal (X, abscisas) el ángulo acimutal y en el eje vertical (Y, ordenadas) la altura solar para distintos días del año. El resultado son unas curvas que representan las trayectorias solares a lo largo del año. Supóngase que nos parásemos viendo hacia el sur con un cartón doblado tal y como lo indica la Figura 16. Los trayectos del Sol en un diagrama cilíndrico son los que se mapean sobre el cartón antes mencionado.

Figura 16. Esquema de diagrama cilíndrico

En el hemisferio norte, la trayectoria superior comprende el movimiento solar para el solsticio de verano (día cuya trayectoria solar será máxima, pues es el día con mayor número de horas de Sol), y la trayectoria inferior para el solsticio de invierno. Con este diagrama, un observador que se sitúe mirando al sur, siempre observará el Sol en un punto comprendido entre la trayectoria superior e inferior. La figura 17 muestra el diagrama cilíndrico que se corresponde con la ubicación geográfica del Campus Central del Tecnológico de Costa Rica.

Figura 17. Diagrama cilíndrico de la ubicación del Tecnológico de Costa Rica (latitud: 9.85 N, longitud: 83.9 O). Nótese que para este diagrama se utiliza como referencia el Norte para el ángulo acimut. Cortesía del “Solar Radiation Laboratory” de la Universidad de Oregon.

REFLEXIÓN Estudie el gráfico de la figura 17 con detenimiento y responda las siguientes preguntas: Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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Espinoza, Luzelen 1. ¿En qué mes el Sol se encuentra perpendicular a la superficie? 2. ¿La posición relativa del Sol está siempre hacia el Sur?  Show Feedback

Feedback  1. ¿En qué mes el Sol se encuentra perpendicular a la superficie?. Repuesta: en Abril. Este mes se

determina observando la trayectoria del diagrama que tiene una altura solar (“Solar elevation”) igual a 90º. 2. ¿La posición relativa del Sol está siempre hacia el Sur? Respuesta: No. Como estamos en el Trópico, existirán meses en el año en los cuales el Sol está orientado hacia el Norte. Las trayectorias que corresponden a los meses de Mayo y Junio en el diagrama de la Figura 17 indican que un observador deberá mirar hacia el Norte para ubicar al Sol. De la Figura 17 también se puede obtener de forma aproximada la posición del Sol en un mes y hora determinada. Por ejemplo, supóngase que queremos saber cuál es la posición relativa del Sol el 14 de febrero a las 2 pm. En este caso ubicaríamos el punto en el diagrama para esos datos y obtendríamos el ángulo acimut y la altura de la posición relativa del Sol (ver Figura 18) y estas sería h=52º y αsur=-55º, tomando el ángulo acimut con referencia en el Sur (235º-180). En el caso en que tomemos el ángulo acimut con referencia Norte, tendríamos que éste sería αnorte=235º. Como se puede observar, no están representadas las trayectorias de los 365 días del año, por lo que se tendrán que utilizar líneas intermedias imaginarias para calcular estos parámetros en días intermedios. Estos diagramas son también muy útiles para realizar el cálculo de sombreamientos provocados sobre el sistema solar por posibles obstáculos. Para ello se dibuja sobre el diagrama el perfil de sombras que existen, tal y como se muestra en la Figura 19. En este caso se dibujó en azul el perfil de un edificio. Nótese que este diagrama nos predice que en los meses de Marzo, Febrero, Enero y Diciembre, este edificio nos ocasionará sombras.

Figura 18. Diagrama cilíndrico de la ubicación del Tecnológico de Costa Rica (latitud: 9.85 N, longitud: 83.9 O) en donde se indica un perfil que ocasionará sombras. Nótese que para este diagrama se utiliza como referencia el Norte para el ángulo acimut. Cortesía del “Solar Radiation Laboratory” de la Universidad de Oregon.

La página web del Laboratorio de Radiación Solar de la Universidad de Oregon tiene una aplicación para obtener diagramas cilíndricos en cualquier parte del mundo. Para ello sólo es necesario suministrar la posición geográfica (latitud y longitud) y el huso horario del lugar del cual se quiere obtener el diagrama. La página web es esta: http://solardat.uoregon.edu/SunChartProgram.php Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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A continuación se presenta esta página web por si desean navegar ahora:

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5.2 Diagramas estereográficos 5.2 Diagramas estereográficos

5.2 Diagramas estereográficos En este caso, las trayectorias solares de los distintos días del año no se representan sobre la vertical como en el caso de los diagramas cilíndricos sino que se representan sobre el plano horizontal. La Figura 19 muestra un diagrama estereográfico en donde se supone que el lugar de interés se ubica en el centro del mismo y la trayectoria solar se sitúa en el sur, por lo que los puntos cardinales válidos para tal situación son los Este (derecha) y Oeste (izquierda). En el interior del diagrama la línea superior (rojo) representa la trayectoria solar para el día 21 de junio y la inferior la trayectoria para el 21 de diciembre (verde). Se emplean los días indicados a la derecha del diagrama, pues los de la izquierda del diagrama servirán para emplearlo en latitud equivalente sur. Cada latitud tiene su diagrama estereográfico. La Figura 19 muestra el diagrama estereográfico válido para la latitud 45º N mientras que la Figura 20 muestra el diagrama válido para la latitud 1º N. Nótese cómo en el caso de la Figura 20 el diagrama representado es simétrico. Se observa como la mitad del año el Sol se encuentra en trayectoria norte y la otra mitad en sur. Las alturas solares son más próximas a 90º que en otras latitudes. Eso indica que el Sol incide más perpendicularmente todo el año, y por lo tanto la radiación solar recibida será mayor.

Figura 19. Diagrama estereográfico válido para latitud 45º N

Figura 20. Diagrama estereográficos para latitud 1º N

 Tal y como se puede ver en la Figura animada 21, este diagrama es la proyección estereográfica de la trayectoria solar vista del cielo sobre un plano horizontal.

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Figura 21. Esta imagen representa muy bien qué es un diagrama estereográfico.

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6. El concepto de hora solar pico 6. El concepto de hora solar pico

6. El concepto de hora solar pico La curva de irradiación solar versus tiempo en un día despejado tiene la forma de campana. Tal y como se muestra en la Figura 22. En un día nublado la radiación varía de forma más abrupta (ver Figura 23).

Figura 22. Irradiancia solar versus tiempo en un día soleado medida en el Campus Central del  Tecnológico de Costa Rica.

Figura 23. Irradiancia solar versus tiempo en un día lluvioso medida en el Campus Central del  Tecnológico de Costa Rica.

Como se puede ver en las figuras anteriores, la irradiancia solar varía significativamente según las condiciones climáticas y la ubicación geográfica. Con el fin de poder comparar el potencial solar de dos sitios, es muy útil emplear el concepto de Hora Solar Pico (HSP). La hora solar pico traslada toda la energía recibida por el Sol a lo largo de un día a las horas en las que se recibiría toda esa energía si la irradiancia fuera hipotéticamente constante e 2 igual a 1.000 W/m2. Esto es, son las horas de irradiancia equivalentes a una irradiación de 1000 W/m constante que se tiene en un lugar específico. Este parámetro también permite simplificar los cálculos de dimensionamiento de sistemas solares. 2

Por ejemplo, en un sitio en el cual la energía recibida promedio en un día es de 5230 Wh/m  se tiene que las horas solares pico serán:

Figura 24. Representación de las HSP y la irradiancia horaria

La Figura 24 representa la irradiancia horizontal en un día de Julio para un sitio ubicado en el hemisferio Norte. Se observa cómo la irradiancia ha evolucionado a lo largo del día desde valores 2 próximos a cero a las 5:00 horas solares hasta el mediodía con valores de casi 1.000 W/m  y luego pasa a descender hasta el anochecer a las 19:00 horas solares. Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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En total, el número de horas de insolación ha sido de 14 horas. Toda esta energía recibida a lo largo 2 del día en el emplazamiento es equivalente a haber tenido una irradiancia constante de 1.000 W/m 2 (1 kW/m ) desde las 8:45 de la mañana hasta las 15:30 de la tarde, en total casi 7 horas, es decir, 7 HSP. Se tiene que las horas solares pico es un número de horas hipotético pero que determina rápidamente la energía recibida en un sitio en un determinado tiempo. Esto por cuanto al ser 1 HSP = 2 1 kWh/m , si se conoce que un emplazamiento tiene 1.300 HSP al año, indica que la energía recibida 2 en dicho periodo de tiempo es de 1.300 kWh/m .

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7. Radiación solar en superficies inclinadas 7. Radiación solar en superficies inclinadas

7. Radiación solar en superficies inclinadas La superficie de captación es cualquier superficie que capte y utilice la radiación solar, como por ejemplo un panel solar fotovoltaico o un colector solar térmico. Los principales parámetros de posición de una superficie solar son: La orientación (α): es el ángulo que forma la normal a la superficie de captación respecto a la

dirección sur tal y como se muestra en la Figura 25. Si un panel está orientado hacia el sur el ángulo orientación es α=0. Si está orientado hacie el sudeste tenemos que α0 y hacia el oeste α=90º. Inclinación (β): es el ángulo que forma el panel respecto de la horizontal, tal y como se muestra en la Figura 26. Para una superficie plana β=0º y para una superficie vertical β=90º.

Figura 25. Ángulo de orientación

Figura 26. Ángulo de inclinación.

Con el fin de aprovechar al máximo la radiación solar anual promedio para una superficie de capactación fija ubicada en el hemisferio norte se recomienda utilizar los siguientes parámetros de posición: 



El ángulo de orienación ubicado hacia el sur, esto es, α=0. Ángulo de inclinación igual a β=latitud – 10º.

EJERCICIO ¿Cuál sería el ángulo de inclinación que es óptimo para captar radiación solar anualmente para un lugar ubicado a latitud 10º N?  Show Feedback

Feedback  Respuesta: 0º, aplicando la fórmula anterior tendríamos β=latitud – 10º = 10º- 10º=0º. Laboratorio de Sistemas Electrónicos

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Como ya hemos estudiado, la posición relativa del Sol no sólo varía diariamente sino también anualmente. Esto hace que una superficie de capatación colocada sobre una estructura fija no logre aprovechar de forma óptima todo el recurso solar. Para calcular la radiación solar que capta una superficie, se utiliza un coeficiente de corrección por inclinación k. Existe un valor de coeficiente distinto para cada latitud y mes. Con este coeficiente se puede calcular la energía incidente sobre una superficie inclinada utilizando la siguiente fórmula:

en donde H es la radiación incidente sobre una superficie horizontal. En la siguiente subsección se indicarán varias bases de datos que proveen el valor de H para un lugar específico. Los factores de corrección k para todas las latitudes se incluyen haciendo clic encima del siguiente documento Tablas_factor_k.

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8. Mapas y bases de datos de radiación solar  8. Mapas y bases de datos de radiación solar

8. Mapas y bases de datos de radiación solar  La radiación solar terrestre ha sido medida en estaciones meteorológicas desde mediados del siglo 20. Hay varias instituciones que recogen los datos nacionales de las estaciones y los introducen en bases de datos globales. Las estaciones de mediciones se hallan en lugares muy heterogéneos a lo largo del planeta. Eso provoca que existan muchas regiones en las cuales el recurso solar está insuficientemente medido; y, a su vez, los valores de radiación que se recogen en muchas ocasiones son los medios diarios y medio mensuales, cuando lo realmente interesante es poseer valores horarios o más detallados. Debido a la escasez de estaciones de medición existentes y a la inexistencia de una red de interconexión de todas ellas en una misma base de datos, para poder establecer una distribución de radiación a lo largo de la superficie terrestre es necesario establecer modelos basados en técnicas de interpolación a partir de algunas estaciones de mediciones. A continuación se detallan las fuentes más importantes:

Meteonorm

Es una base de datos climatológicos globales, disponible en un software. Contiene bases de datos de las estaciones terrestres procedentes de varias fuentes (Instituto Meteorológico Suizo, el global Energy Balance Archive o la Organización Meteorológica Mundial Disponible en: http://meteonorm.com/ WMO). El principal periodo de mediciones es de 1961 a 1990; contiene datos de horarios de radiación. Además de la radiación solar también se dispone de otros datos como la temperatura, la humedad velocidad del viento o precipitaciones.

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Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL)

Entrega datos de radiación solar, datos derivados, un gran listado de mapas y atlas, así como un gran número de publicaciones relacionadas. Posee la Disponible en: http://www.nrel.gov/ herramienta PVWATTS para diseñar y estimar la producción de huertas solares conectadas a la red.

Ofrece información no solamente relativa a los principales parámetros de la radiación solar sino también a su aplicación en el dimensionado de Atmospheric instalaciones. Además, Science Data gran cantidad de datos Disponible en: https://eosweb.larc.nasa.gov/sse Center – NASA meteorológicos son incorporados. Permite conocer los valores mediante la introducción de las coordenadas geográficas del emplazamiento.

Solar GIS

Solar GIS es un sistema de información geográfica diseñado para satisfacer las necesidades de la industria de la energía solar. Esta aplicación combina datos de recursos solares y datos meteorológicos con un sistema de aplicación basada en la web para Disponible en: apoyar la planificación, http://solargis.info/doc/free-solar-radiation-maps-GHI desarrollo y operación de sistemas de energía solar. Existen mapas de Costa Rica de radiación solar global y difusa que se puede descargar de forma gratuita Para tener acceso a las tablas de datos de radiación es necesario pagar.

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El Instituto Meteorológico Nacional de Costa Rica hizo un estudio hace Instituto Meteorológico algunos años en donde detalla la radiación solar Nacional promedio mensual de distintas zonas del país.

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El estudio se encuentra en el estudio que se accesa haciendo clic en el siguiente documento: Tablas_radiacion_IMN

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9. Estimación de la energía solar aprovechable 9. Estimación de la energía solar aprovechable

9. Estimación de la energía solar  aprovechable En el siguiente video se mostrará como realizar una estimación del potencial energético proveniente del Sol, a partir de las tablas de radiación y los factores K.

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10. Dispositivos de medida de radiación 10. Dispositivos de medida de radiación

10. Dispositivos de medida de radiación La energía solar, como ha quedado patente hasta ahora, es un recurso aleatorio, aunque muy estable en el tiempo. Para realizar cualquier proyecto de energías renovables que requiera del aprovechamiento solar de manera directa, es necesario medir el potencial solar del emplazamiento. Se ha visto la existencia de bases de datos de radiación, muy útiles para realizar la evaluación del recurso. Estas bases de datos se construyen mediante la mediación del recurso en varios emplazamientos en los que se dispone de aparatos de medición, y en base a los resultados obtenidos y a unos métodos de cálculo se realizan los mapas. Por tanto, es importante analizar los dispositivos existentes para medir la radiación solar. En este apartado se van a analizar las características de los principales dispositivos existentes para tal propósito. En la medición del recurso solar existen varios dispositivos dependiendo de la componente de la radiación solar que miden. Los dispositivos y la medición que realizan es la mostrada en la Tabla 2.

 Tabla 2. Dispositivos de medición de radiación solar Radiación global Piranómetro con anillo sombreante Radiación difusa Albedo de la superficie Albedómetro Radiación directa Pirheliómetro Heliógrafo Horas de insolación Piranómetro

En las siguientes pantallas se analizan estos dispositivos.

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10.1 Piranómetro 10.1 Piranómetro

10.1 Piranómetro El piranómetro es el instrumento más usado en la medición de la radiación solar. Mide la radiación global y, mediante un dispositivo que obstaculiza la radiación directa, puede medir también la componente difusa.

Figura 27. Piranómetros. Con anillo sombreante para medición de la radiación difusa (derecha)

La medición se obtiene por la diferencia de calentamiento de dos sectores pintados alternativamente de blanco y negro en un pequeño disco plano. Cuando el aparato es expuesto a la radiación solar, los sectores negros absorben mayor radiación que los blancos. Esta diferencia de radiación conlleva una variación de temperatura, que se puede detectar electrónicamente generándose un voltaje eléctrico proporcional a la radiación solar incidente. En la variación de la temperatura puede intervenir el viento, la lluvia y las pérdidas térmicas de la radiación al ambiente. Por lo tanto, el piranómetro tiene instalado una cúpula de vidrio óptico transparente que protege el detector, permite la transmisión adecuada de la componente solar y sirve para filtrar la radiación entre las longitudes de onda que oscilan aproximadamente entre 280 y 2.800 nm. Los piranómetros, como se ha mencionado con anterioridad, pueden medir la radiación difusa. Para ello hay que incorporar un disco o parasol que suprime la radiación directa. La utilización de los piranómetros suele ir vinculada al empleo de sistemas de almacenamiento de datos, comúnmente denominados en el sector como “data-logger”. Estos sistemas recogen los valores de la radiación medida por los piranómetros en los intervalos de tiempo que se desee; lo más empleado es cada 15 minutos. El empleo de los data logger facilita la evaluación del recurso en un emplazamiento, ya que permite volcar los datos en un ordenador y trabajar con ellos desde una hoja de cálculo.

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10.2 Albedómetro 10.2 Albedómetro

10.2 Albedómetro El albedómetro es un dispositivo basado en el funcionamiento de los piranómetros. De hecho, su configuración la compone la unión de dos piranómetros iguales contrapuestos, uno orientado hacia arriba (Cielo) y el otro orientado hacia abajo (Tierra).

Figura 28. Albedómetro LP PYRA 06

El piranómetro orientado hacia arriba mide la radiación global (directa + difusa) que incide en el terreno, mientras que el orientado hacia abajo mide la radiación global reflejada por el terreno. Ambos piranómetros tienen sus salidas eléctricas que son enviadas a un data logger. Este elaborador de datos da la medida del albedo, que es la fracción de radiación reflejada desde el suelo respecto a la incidente. Una de las aplicaciones más comunes de estos dispositivos, además de determinar el índice de reflexión del terreno, es determinar la existencia de escarcha o nieve en las carreteras.

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10.3 Pirheliómetro 10.3 Pirheliómetro

10.3 Pirheliómetro Los pirheliómetros son instrumentos usados para la determinación de la radiación solar directa. Para realizar la medición de dicha componente de la radiación es preciso que se sitúen en posición normal a ella. Hay dos tipos de pirheliómetros. 



Pirheliómetros de Cavidad Absoluta: Poseen dos cavidades cónicas iguales, una en la parte

externa, la cual se calienta al estar expuesta a la radiación solar, y otra oculta en el interior del instrumento, la cual se calienta mediante energía eléctrica hasta obtener una temperatura igual a la cavidad externa. Al igualarse las temperaturas puede asignarse el valor de la energía eléctrica consumida como el valor de la radiación solar incidente. Pirheliómetro Secundario: Se calibran por la comparación con un pirheliómetro de cavidad absoluta. Posee un sensor de termopila. Este dispositivo requiere de un sistema de seguimiento solar. Debido a la complejidad de estos sistemas, la medición de la componente directa de la radiación solar se hace en pocas ocasiones; además su fiabilidad no es muy elevada.

Figura 29. Pirheliómetro Eppley de incidencia normal

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10.4 Heliógrafo 10.4 Heliógrafo

10.4 Heliógrafo La mediación directa del número de horas de Sol puede realizarse a través de un instrumento denominado heliógrafo. El número de horas de Sol se halla concentrando los rayos sobre una banda de cartulina azul, la cual se va quemando en los puntos en los que se concentra la radiación solar. Como concentrador de la radiación directa se emplea una esfera de cristal. La banda está fijada a un soporte curvo y concéntrico con la esfera y tiene una escala de graduación dividida cada 30 minutos.

Figura 30. Heliógrafo

Si el Sol luce de manera continua durante todo el día, realizará una traza continua, y la duración de la insolación se realizará de acuerdo con la longitud de la traza. Si en algún momento del día, debido a la aparición de nubes, hay una interrupción de la radiación directa, en la banda habrá una zona que no estará quemada y su posición y longitud indicarán la parte del día en la cual ha habido nubosidad y su duración. Con anterioridad se ha mostrado cómo los piranómetros, gracias a que pueden recibir y gestionar los datos mediante un data logger, realizan medidas de irradiancia cada quince minutos y en base a ellas se puede conocer las horas de insolación de un emplazamiento. No hay que olvidar que a pesar de poderse realizar esta medición mediante los piranómetros, el instrumento que realiza esta operación de manera directa es el heliógrafo.

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