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ÍNDICE:

1. INTRODUCCIÓN.

2. EL EFECTO FOTOVOLTAICO.

3. RADIACIÓN SOLAR.

4. LA CONSTANTE SOLAR.

5. EFECTO DE LA ATMÓSFERA.

6. IRRADIACIÓN SOBRE UNA SUPERFICIE.

1. INTRODUCCION.

El Sol es una de las innumerables estrellas que hay en la galaxia, la más cercana y, sin duda, también la más importante para nosotros, ya que sin ella no existiríamos, ni existiría ninguna forma de vida sobre la Tierra. Es una estrella de tipo medio, su radio es de unos 700 000 km y su masa equivale a la que se obtendría juntando unos 300 000 planetas iguales a la Tierra. Brilla en el espacio desde hace más de 5000 millones de años y se calcula que el tiempo que le resta de vida es aún mayor.

El origen de la energía que el Sol produce e irradia está en las reacciones nucleares que ininterrumpidamente se realizan en su interior. En ellas, los átomos de hidrógeno, que es el elemento más abundante en el Sol, se combinan entre sí para formar átomos de helio y, al mismo tiempo, una pequeña parte de la masa de dichos átomos se convierte en energía, de acuerdo a la fórmula    , la cual fluye desde el interior hasta la superficie (fotosfera) y desde allí es irradiada al espacio en todas las formas.

Aunque el Sol también emite partículas materiales, la mayor parte de la energía irradiada es transportada en forma de ondas electromagnéticas (fotones) en una amplia gama de longitudes de onda diferentes, las cuales se desplazan en el espacio vacío a una velocidad de 300 000 km/s, tardando solamente ocho minutos en recorrer los 150 millones de kilómetros que hay entre el Sol y la Tierra.

Cada segundo el Sol irradia en todas las direcciones del espacio una energía de 4 x 1026 julios, esto es, genera una potencia de 4 x 1023 kilovatios.

En el breve lapso de un solo segundo, el Sol irradia mucha más energía que la consumida por todo el género humano desde sus albores hasta nuestros días.

2. EL EFECTO FOTOVOLTAICO.

El efecto fotovoltaico es la base del proceso mediante el cual una célula fotovoltaica convierte la luz solar en electricidad. La luz solar está compuesta por fotones, o partículas energéticas. Estos fotones son de diferentes energías, correspondientes a las diferentes longitudes de onda del espectro solar. Cuando los fotones inciden sobre una célula fotovoltaica, pueden ser reflejados o absorbidos, o pueden pasar a su través. Únicamente los fotones absorbidos generan electricidad. Cuando un fotón es absorbido, la energía del fotón se transfiere a un electrón de un átomo de la célula. Con esta nueva energía, el electrón es capaz de escapar de su posición normal asociada con un átomo para formar parte de una corriente en un circuito eléctrico.

Las partes más importantes de la célula solar son las capas de semiconductores, ya que es donde se crea la corriente de electrones. Estos semiconductores son especialmente tratados para formar dos capas diferentemente dopadas (tipo p y tipo n) para formar un campo eléctrico, positivo en una parte y negativo en la otra. Cuando la luz solar incide en la célula se liberan electrones que pueden ser atrapados por el campo eléctrico, formando una corriente eléctrica. Es por ello que estas células se fabrican a partir de este tipo de materiales, es decir, materiales que actúan como aislantes a bajas temperaturas y como conductores cuando se aumenta la energía. Desdichadamente no hay un tipo de material ideal para todos los tipos de células y aplicaciones. Además de los semiconductores las células solares están formadas por una malla metálica superior u otro tipo de contracto para recolectar los electrones del semiconductor y transferirlos a la carga externa y un contacto posterior para completar el circuito eléctrico. También en la parte superior de la célula hay un vidrio u otro tipo de material encapsulante transparente para sellarla y protegerla de las condiciones ambientales, y una capa antireflexiva para aumentar el número de fotones absorbidos.

Las células fotovoltaicas convierten pues, la energía de la luz en energía eléctrica.

El rendimiento de conversión, esto es, la proporción de luz solar que la célula convierte en energía eléctrica, es fundamental en los dispositivos fotovoltaicos, ya que el aumento del rendimiento hace de la energía solar fotovoltaica una energía más competitiva con otras fuentes (por ejemplo la energía de origen fósil).

Estas células, conectadas unas con otras, encapsuladas y montadas sobre una estructura soporte o marco, conforman un módulo fotovoltaico. Los módulos están diseñados para suministrar electricidad a un determinado voltaje (normalmente 12 ó 24 V). La corriente producida depende del nivel de insolación. La estructura del módulo protege a las células del medioambiente y son muy durables y fiables. Aunque un módulo puede ser suficiente para muchas aplicaciones, dos o más módulos pueden ser conectados para formar un generador fotovoltaico. Los generadores o módulos fotovoltaicos producen corriente continua (DC) y pueden ser conectados en serie y/o paralelo para producir cualquier combinación de corriente y tensión.

Figura 1: Efecto fotoeléctrico.

3. RADIACION SOLAR.

De los datos obtenidos analizando la radiación solar emitida y aplicando las leyes de la física, se deduce que la temperatura efectiva de la superficie del Sol es de unos 5900 K. Esto significa que la emisión de radiación de un cuerpo negro ideal que se encontrara a 5900 K sería muy parecida a la del Sol.

La mayor parte de los fotones emitidos por el Sol tienen una longitud de onda comprendida entre 0,3 μm y 3 μm, aunque solamente las que van desde 0,4 μm a 0,7 μm son susceptibles de ser captadas por el ojo humano, formando lo que se conoce como luz visible.

La luz no visible emitida por el Sol, esto es, la radiación con longitud de onda menor que 0,4 μm o mayor que 0,7 μm, transporta también una considerable energía, que es preciso tener en cuenta.

4. LA CONSTANTE SOLAR.

Al extenderse por el espacio en todas las direcciones, la energía radiante procedente del Sol se reparte en una superficie esférica hipotética, cuyo centro es el foco emisor (el Sol) y cuyo radio crece a la misma velocidad que la propia radiación. Así pues, la intensidad en un punto de dicha superficie esférica, al repartirse la energía solar sobre un área cada vez mayor, será más pequeña cuanto mayor sea el  radio de la misma, es decir, cuanto mayor sea la distancia de dicho punto al Sol. Así, la radiación se debilita a medida que la distancia aumenta.

El valor medio de la Constante Solar es de 1367 W/m2, aunque puede variar según fuentes, ya que la Constante Solar sufre ligeras variaciones debido a que la distancia entre la Tierra y el Sol no es constante, ya que la órbita terrestre no es circular, sino elíptica, estando la Tierra más cerca del Sol en Diciembre y Enero, y más alejada en Junio y Julio.

Una expresión para el cálculo de la Constante Solar para cualquier día del año es:

Donde:

N = Es el número secuencial del día, considerando N=1 al 1 de Enero y N=365 al 31 de Diciembre.

5. EFECTO DE LA ATMOSFERA.

No toda la radiación solar interceptada por la Tierra llega hasta su superficie, debido a que la capa atmosférica supone un obstáculo al libre paso de la radiación mediante diversos efectos, entre los que cabe destacar la reflexión en la parte superior de las nubes y la absorción parcial por las diferentes moléculas del aire atmosférico. Este último fenómeno hace que la intensidad que llega a la superficie, aun en días despejados y con atmósfera muy limpia, sea como máximo de unos 1100 W/m2.

También es preciso tener en cuenta que, a pesar de los rayos solares viajen en línea recta, al llegar los fotones a las capas atmosféricas y chocar contra las moléculas y el polvo en suspensión, sufren difusiones y dispersiones que se traducen en cambios bruscos de dirección. Aunque esta luz difundida finalmente llega también a la superficie, al haber cambiado muchas veces de dirección a medida que ha atravesado la atmósfera, lo hace, no como si procediese directamente del disco solar, sino de toda la bóveda celeste. Esta radiación es conocida con el nombre de difusa, en contraposición con la radiación directa, que es aquella que alcanza la superficie manteniendo la línea recta desde el disco solar. La suma de las radiaciones directa y difusa es la radiación total, que es el que nos interesa a efectos energéticos. La radiación difusa hace que un cuerpo siempre esté recibiendo una cierta cantidad de energía por todas sus partes, incluso por las que no recibe la luz del Sol directamente.

Aunque un día despejado la radiación directa es mucho mayor que la difusa, esta última será, evidentemente, la única forma posible de radiación en los días cubiertos, filtrándose más o menos homogéneamente por toda la bóveda celeste a través de la capa nubosa. La radiación difusa supone aproximadamente un tercio de la radiación total que se recibe a lo largo del año.

En cuanto a su distribución energética, hay que tener en cuenta que casi un 40 % de la radiación que alcanza la superficie lo hace no en forma de luz visible sino como radiación infrarroja, lo cual tiene gran importancia según se verá más adelante.

6. IRRADACION SOBRE UNA SUPERFICIE.

Irradiación, E, es la cantidad total de energía radiante que llega a una superficie determinada en un tiempo determinado. Se trata, pues, de una medida de la energía incidente sobre dicha superficie, expresándose en cualesquiera de las unidades habituales usada para medir la energía, normalmente en megajulio. No ha que confundir este término con la intensidad radiante I, también denominada irradiancia, que es la energía que incide por unidad de tiempo y de superficie.  

Donde:

I = Irradiancia

E = Energía radiante

S = Superficie

t = Tiempo

La cantidad de energía debida a la radiación directa que una superficie expuesta a los rayos solares puede interceptar dependerá del ángulo formado por los rayos y la superficie en cuestión. Si la superficie es perpendicular a los rayos, este valor es máximo, disminuyendo a medida que lo hace dicho ángulo, figura 4.

Figura 2: Irradiación sobre superficie inclinada, la radiación directa disminuye conforme aumenta la inclinación.

Es evidente que la intensidad sobre la superficie varía en la misma proporción que lo hace la energía E, por lo que:

Donde:

 I´D  = a la intensidad directa sobre la superficie inclinada.

 ID  = a la intensidad directa sobre la superficie horizontal.

   = ángulo de inclinación sobre la horizontal

Este efecto de inclinación es la causa por la que los rayos solares calientan mucho más al mediodía que en las primeras horas de la mañana o últimas de la tarde, ya que en estos últimos casos el ángulo que forma el rayo con la normal a la superficie es grande y,  por tanto, el facto cos    , hace que la intensidad sea pequeña.

La diferente inclinación de los rayos solares es asimismo la causa por la que las regiones de latitudes más altas, polares, reciben mucha menos energía que las más cercanas al ecuador.

En cuanto a la radiación difusa, la ley que rige el valor de su incidencia sobre una superficie inclinada:

 

I´F = función de su intensidad sobre horizontal.

IF =  función de su intensidad sobre superficie inclinada.

  = inclinación.

Para medir la irradiación total que una superficie recibe en un determinado número de días se emplean unos aparatos llamados piranómetros, los cuales detectan la intensidad de la radiación en cada instante y , acoplados a un ordenador, acumulan estos datos durante todo el tiempo que duran las medidas.

Un piranómetro colocado sobre una superficie perfectamente horizontal, libre de obstáculos a su alrededor que pudieran arrojar sombras sobre él, recibe la radiación total de toda la bóveda celeste, permitiendo evaluar la energía disponible en la zona en que se ubica y, así, efectuar una primera estimación de la viabilidad de un sistema solar que pudiera aprovechar dicha energía.

Los piranómetros de menor coste utilizan una pequeña célula fotovoltaica que genera una corriente eléctrica cuya intensidad es aproximadamente proporcional a la irradiancia. Su precisión no es elevada, pues tienen un margen de error del 5 %.

Un tipo de piranómetro de más precisión y precio, consta de un elemento absorbedor negro dispuesto bajo una doble campana de vidrio, el cual se calienta más o menos en función de la irradiación recibida, mediante una termopila que genera un voltaje proporcional a dicha irradiancia, el margen de error es del 3 %.

Si justo por encima de un piranómetro se coloca, adecuadamente posicionado, un anillo opaco o una esfera negra que proyecte su sombra sobre el sensor, evitando así que llegue la radiación directa, el piranómetro se convierte en un medidor de radiación difusa.

Para medir únicamente la radiación directa el sensor se monta en el fondo de un tubo de paredes interiores de color negro, que debe apuntar hacia el Sol, y cuyo extremo abierto ha de estar exactamente orientado hacía el disco solar. Estos dispositivos capaces de medir la radiación directa, se llaman pirheliómetros.

La radiación de albedo, que es la reflejada por los cuerpos situados alrededor de la superficie sobre la que nos interesa evaluar la radiación, y hay que añadirla a la directa y a la difusa que dicha superficie recibe. El albedo de los cuerpos es tanto mayor cuanto más claro sea el color de los mismos.

La influencia del albedo del entorno sobre la radiación incidente en un captador solar suele ser despreciable, y tan sólo en casos de ubicaciones muy particulares, como por ejemplo cuando existen paredes de  color claro detrás de los colectores, puede suponer una pequeña ganancia adicional de energía.

Figura 3: Irradiación sobre el panel.

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