Conceptos fundamentales de la Energia Solar

El sol es una estrella de tipo medio, se estima que tiene una vida de 5000 millones de años. Tiene un radio de 700.000 Km. con una masa solar de 330.000 veces la masa de la Tierra. En la parte externa se produce la fusión que emite energía en forma de E = mc2. Se le considera un cuerpo negro ideal, que es aquel que absorbe la energía y emite toda la energía que tiene.
La intensidad máxima en un punto de la Tierra es 1’4 Kw/m2 si esta ideal, es decir, si en el camino no se perdiese nada.
Las ondas del sol llegan como ondas electromagnéticas en forma de fotones, se propagan a la velocidad de la luz e = 300.000 Km/seg. Un rayo tardará unos 8 minutos en llegar a la Tierra. En cada segundo el sol libera una energía de 4  10 26 Julios. Se le considera una temperatura constante de 5900 Kelvin. Emite en diferentes longitudes de onda y dependiendo de estas están los rayos ultravioleta, el espectro visible y los rayos infrarrojos.

La intensidad de la radiación que llega a la parte exterior de la atmósfera de la Tierra se conoce como constante solar (G). No es un valor constante puesto que la distancia entre el Sol y la Tierra tampoco lo es, y esa intensidad es dependiente de la distancia. Oscila en valores entre 1400 y 1310 w/m2, tomándose como valor establecido 1353 w/m2. Sin embargo, después de atravesar la atmósfera se cuantifica que la constante solar es de 1100 w/m2.
A la superficie de la Tierra le alcanzan tres tipos de radiaciones:
  • Radiación directa – Es la que llega a la Tierra en línea recta desde el círculo solar.
  • Radiación difusa – Se difunde y dispersa al chocar con la atmósfera. Sufre muchos cambios de dirección, por ello da la sensación que procede de la bóveda celeste. Es capaz de alcanzar una superficie aunque no este expuesta al sol.
  • Radiación de Albedo – Procede de cuerpos cercanos (por ejemplo un edificio). No se suele considerar a efectos de cálculo porque tiene un valor despreciable.
Algunos efectos que producen las radiaciones solares son por ejemplo el color del cielo. Es de color azul por el choque de las radiaciones con las moléculas de nitrógeno y oxígeno. En el atardecer y amanecer, los rayos del sol llegan más oblicuos por lo que la cantidad de aire a atravesar es mayor, por esa razón se ve de color rojizo.
La radiación total será la suma de todas las radiaciones. Las radiaciones no llegan en la misma medida, ni siquiera la directa y la difusa.

La energía que llega a una superficie:
-Irradiación (E) – Es la cantidad total de energía en forma de radiación que llega a una superficie determinada en un tiempo establecido. En el S.I. la unidad es el Julio.
-Irradiancia (I) – Es la energía incidente por unidad de tiempo y superficie. En el S.I. se mide en W/m2.

Como es lógico la energía debida a la radiación directa que puede interceptar una superficie expuesta a los rayos solares, depende del ángulo que forma la misma con dichos rayos.
I’ = I  cos. α
El aparato medidor de la radiación se conoce como piranómetro.

Astronomía de posición solar
La Tierra va girando alrededor del sol y tarda en dar una vuelta completa 365 años. A la región que hay entre la órbita de la Tierra y el Sol se le conoce como eclíptica. Va girando sobre sí misma tardando en dar una vuelta completa 24 horas. La razón por la que las horas de sol son mayores en verano, así como lo que da lugar a las estaciones del año es que el eje de la Tierra está desviado unos 23’5º. No influye en esto la distancia con el sol.

Cuando observamos el sol, vemos que aparece por el este y se pone por el oeste. Además no tiene la misma altura en invierno que en verano, por eso para indicar la posición del sol tendríamos que dar dos coordenadas que son el azimut, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto al sur y la altura solar, que es el ángulo que forma la posición del sol respecto a la superficie horizontal.
Los colectores deberían ir orientados hacia el sur porque así el sol incidiría prácticamente todo el día. Si no fuese posible, habría que elegir la más favorable con desviaciones menores del 25%.

Para considerar la sombra de los colectores o de un obstáculo hay que tener en cuenta el solsticio de invierno, debido a que es cuando más bajo está el sol y más sombra se produce.
Respecto a la inclinación de los colectores, debe buscarse que los rayos del sol incidan lo más perpendicular posible en el colector, por lo que se deben de inclinar. Esta inclinación varía en función de la latitud del lugar ±10%.