Física de la energía solar1

Es utópico pensar en el Sol como única fuente de energía capaz de cubrir toda la demanda energética mundial. Pero hay que reconocer que es una opción mas de aporte energético muy interesante.

El origen de la energía solar está en las sucesivas reacciones nucleares que se producen en el interior de nuestro astro.

En el seno del Sol se producen continuas reacciones nucleares de fusión, mediante las cuales se unen los núcleos de dos átomos de un isótopo del hidrógeno que se llama deuterio, para formar un núcleo de helio, liberando en dicho proceso una gran cantidad de energía.

Se libera en forma de radiación, que se propaga por el espacio por medio de ondas electromagnéticas y de la que sólo llega parte a la Tierra.

Unos 15 millones de grados centígrados en el nucleo y 5,500°C en la superficie.

3,86⋅10²⁶ W. Esta potencia tiene un valor por unidad de superficie de 6,35⋅10⁷ W/m²

1.367 W/m²

Las ondas electromagnéticas que llegan desde el sol, en diferentes magnitudes.

• Longitud de Onda: distancia entre dos crestas consecutivas.
• Amplitud de onda: es la máxima distancia que se separa cada partícula de su posición de equilibrio.
• Frecuencia: número de crestas de onda que pasan por un punto en un segundo. El inverso de la frecuencia es el periodo.
• Ciclo: el ciclo de una onda es una onda completa.

infrarrojos, visible, ultravioleta, microondas, etc.

Un quanto de luz es llamado fotón. En realidad un fotón se puede definir como la partícula de luz mas pequeña.

La luz se comporta como onda o como partícula, según el instrumento que se use para analizarla.

a mayor energía mayor frecuencia de la onda, es decir, menor longitud de onda, puesto que la frecuencia es el numero de ciclos por unidad de tiempo.

La potencia de la radiación por unidad de superficie. Como potencia se mide en vatios (W) en el S.I., la irradiancia se medirá en vatios divididos por metro cuadrado W/m²

Hemos indicado que el sol emite una potencia de radiacion de 3,86⋅10²⁶ W; ahora podemos decir que si irradiancia, teniendo en cuanta que su superficie es de 6,087⋅10¹⁸ m², es de 6.35⋅10⁷ W/m².

El símbolo que se utiliza para expresar la irradiancia es la letra I o E.

Es la energía por unidad de superficie. Como la energía se mide en el S.I. en julios (J), la irradiación en el S.I. se medirá en julios divididos por metro cuadrado J/m².

Por razones practicas también se usa como unidad de energía el kilovatio por hora (kWh). Así la irradiación también puede venir expresada en kilovatios hora divididos por metro cuadrado (kWh/m²).

La irradiación que llega a la tierra en una hora es de 1367 Wh/m², por lo tanto, lo que tenemos que recordar es que cada hora llega a la Tierra en cada metro cuadrado algo mas de un kilovatio hora de energía.

También se denomina radiación, y su símbolo es la letra H.

• Potencia por unidad de superficie y longitud de onda.
• Unidad → W/(m²⋅μm)
• Símbolo → Iλ, Eλ

• Irradiancia que llega directamente del Sol
• Unidad → W/m²
• Símbolo → I_dir, E_dir

• Irradiancia proveniente de toda la bóveda terrestre excepto la directa.
• Unidad → W/m²
• Símbolo → I_dif, E_dif

• Irradiancia total que llega a una zona. Directa + Difusa.
• Unidad → W/m²
• Símbolo → I_g, E_g

• Radiación que llega al exterior de la atmósfera terrestre.
• Unidad → W/m²
• Símbolo → I₀, E₀

La absorción, reflexión y difusión hacen que la irradiancia que llega a la Tierra emitida por el Sol, 1367 Wh/m², disminuya apreciablemente al llegar a la superficie terrestre.

Se debe al comportamiento de la atmósfera como una especia de espejo en el que "rebotan" los rayos de luz del Sol. Este fenómeno depende de la inclinación con la que lleguen los rayos a la atmósfera.

En la atmósfera existen multitud de partículas o moléculas que absorben parte de la energía solar. Pueden ser gases, vapor de agua, las moléculas de oxigeno y nitrógeno, el ozono, etc. estas moléculas lo que hacen es retener parte de la radiación solar, consumen una parte en fenómenos físicos y químicos, y otra la emiten en todas direcciones, parte de la cual es interceptada por la superficie terrestre.

Las moléculas del aire, responsables de la absorción, también participan de la difusión de la energía solar. Estas moléculas de aire, los aerosoles, el polvo, etc, a diferencia de la absorción, lo que provocan es simplemente un cambio de dirección de la radiación.

Es aquella que llega directamente del Sol atravesando la atmósfera.

Es aquella que proviene de la bóveda terrestre producto de la absorción-emisión y la difusión que sufre la radiación directa en su paso por la atmósfera.

Es necesario un dispositivo seguidor, es decir, un dispositivo que vaya variando su orientación con el movimiento del sol.

• Es la suma de la radiación directa y la difusa.
• Radiación global = radiación directa + radiación difusa

• La componente directa de la radiación se puede medir también a partir de la radiación global y difusa. la diferencia entre las dos será la radiación directa.
• Radiación directa = radiación global - radiación difusa

• Componente directa horizontal: que correspondería a la proyección del rayo del sol sobre el plano horizontal.
• Componente directa normal: que sería la linea que forma el rayo con el captador.

I_horizontal = (sen α) ⋅ I _normal

Para medir la radiación difusa se utiliza otro tipo de captador que recoge toda la radiación que le llega a excepción de la dirección del sol.