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Irradiación solar

Irradiación solar

La irradiación solar es la magnitud que mide la energía por unidad de área de radiación solar incidente en una superficie colocada en un lugar y rango de tiempo bien especificados. És decir, no toda la radiación solar que genera el Sol llega la Tierra. La magintud que describe la radiación solar que llega a la tierra es la irradianca. La irradiancia se expresa en unidades de potencia por superfície, generalmente vatios por metro cuadrado. Cuando hablamos de irradiación solar, nos referimos a la cantidad de irradiancia recibida en un tiempo determinado.

Debido a que la irradiancia se mide en vatios por metro cuadrado, la irradiación solar normalmente se mide en vatios-hora por metro cuadrado.

La irradiación solar en la superficie terrestre es, desde el punto de vista técnico, la adición en un intervalo de tiempo determinado de la radiancia solar filtrada por la interposición de la atmósfera. El valor de la irradiación solar en la superficie depende de la época del año, de la latitud, la climatología local y las horas del día.

Origen de la irradiación solar

El origen de la radiación electromagnética proveniente del Sol. La radiación solar es la reacción de fusión nuclear que se produce constantemente en el interior del Sol. En la reacción nuclear dos núcleos de hidrógeno se combinan para formar un núcleo de helio. Mediante esta fusión de núcleos se libera una gran cantidad de energía. El hidrógeno constituye el 74,9% de la masa del Sol, y el helio el 23,8% (en leve pero constante incremento) y sólo el 1,3% restante corresponde a otros elementos químicos.

El calor generado por la reacción de fusión nuclear es responsable de que el Sol sea una gigantesca masa incandescente, y que la superficie exterior tenga una temperatura aproximada de 5.505 °C. Como cualquier cuerpo incandescente, el Sol emite radiación electromagnética en un amplio rango de longitudes de onda (o frecuencias) que abarcan desde el ultravioleta hasta el infrarrojo, cuya máxima intensidad está en la región que la vista humana identifica como la amarilla del arco iris. Se denomina espectro de radiación solar esta distribución de longitudes de onda, la mayor parte del cual es invisible al ojo humano.

Tipos de irradiaciones solares

Hay varios tipos medidos de irradiancia solar.

  • La irradiación solar total
  • La irradiación normal directa
  • La irradiación horizontal difusa o la radiación de cielo difuso
  • La irradiación horizontal global

La irradiación solar total es una medida de la potencia solar en todas las longitudes de onda por unidad de área incidente en la atmósfera superior de la Tierra. Se mide la perpendicular a la luz solar entrante. La constante solar es una medida convencional de la irradiación solar total promedio a una distancia de una unidad astronómica.

La irradiación normal directa, o radiación de haz, se mide en la superficie de la Tierra en una ubicación dada con un elemento de superficie perpendicular al Sol. Excluye la radiación solar difusa (radiación dispersada o reflejada por los componentes atmosféricos). La irradiancia directa es igual a la irradiancia extraterrestre por encima de la atmósfera menos las pérdidas atmosféricas debidas a la absorción y dispersión. Las pérdidas dependen de la hora del día (longitud de la trayectoria de la luz a través de la atmósfera según el ángulo de elevación solar), la cubierta de nubes, el contenido de humedad y otros contenidos. La irradiancia sobre la atmósfera también varía con la época del año (debido a que la distancia al sol varía), aunque este efecto es generalmente menos significativo en comparación con el efecto de las pérdidas en la irradiación normal directa.

La irradiación horizontal difusa o la radiación de cielo difuso es la radiación en la superficie de la Tierra a partir de la luz dispersada por la atmósfera. Se mide en una superficie horizontal con radiación proveniente de todos los puntos del cielo, excluyendo la radiación solar proveniente del disco solar. Casi no habría irradiación horizontal difusa en ausencia de atmósfera.

La irradiación horizontal global es la irradiancia total del sol sobre una superficie horizontal en la Tierra. Es la suma de la irradiancia directa (después de tener en cuenta el ángulo cenital solar del Sol z) y la irradiancia horizontal difusa.

Propagación de la irradiación solar

La radiación electromagnética del Sol se propaga en el vacío con la llamada velocidad de la luz, que es de aproximadamente 299.792 km/s. Esto significa que su energía fluye con esa velocidad. La medida física de este flujo es la potencia, la cantidad de energía que fluye por unidad de tiempo. La unidad estándar internacionalmente usada para la potencia es el vatio (W).

La irradiación solar puede medirse en el espacio o en la superficie de la Tierra después de la absorción y dispersión atmosférica. La irradiación en el espacio es una función de la distancia al Sol, el ciclo solar y los cambios de ciclo cruzado. La irradiación en la superficie de la Tierra también depende de la inclinación de la superficie de medición, la altura del sol sobre el horizonte y las condiciones atmosféricas. La irradiancia solar afecta el metabolismo de las plantas y el comportamiento animal.

Después de salir de la superficie del Sol la radiación solar se expande de modo casi homogéneo y constante en el tiempo a través del espacio circundante, salvo por la cíclica influencia de las manchas solares (ciclo solar). La potencia de radiación solar se distribuye así sobre la superficie de una esfera cuyo radio aumenta constantemente con la velocidad de la luz, disminuyendo su valor por unidad de área como la inversa del cuadrado de ese radio. Cuando este frente de onda esférico llega a la atmósfera de la Tierra (donde dicho radio toma el valor de la distancia de la Tierra al Sol, unos 150 millones de kilómetros), la potencia por unidad de área del espectro total de la radiación (irradiancia solar fuera de la atmósfera) es de aproximadamente 1.367 W/m².

Irradiancia espectral

La radiación solar es reflejada, absorbida o dispersada por la atmósfera terrestre debido a la acción de átomos, moléculas, iones, gases disueltos y partículas en suspensión (gotas de agua, polvo, cenizas de volcanes...). Moléculas como las de oxígeno (O2), agua (H20), anhídrido carbónico (CO2) y ozono (O3) tienen un fuerte impacto porque absorben radiación solar en amplios rangos (llamados bandas de absorción) de longitud de onda.

Asimismo, en las aplicaciones de la irradiancia solar hay que tener en cuenta los rangos de longitudes de onda involucradas, que pueden ser muy diferentes en cada caso. El resultado es que la irradiancia solar directa sobre la superficie terrestre, en un día claro cuando el Sol está en el zenith, se reduce a unos 1.050 W/m².

Importancia de la irradiación solar en la energía solar

Las cifras de irradiación solar se utilizan para planificar el despliegue de los sistemas de energía solar. En muchos países, las cifras se pueden obtener de un mapa de insolación o de tablas de insolación que reflejan datos de los 30 a 50 años anteriores. Diferentes tecnologías de energía solar son capaces de utilizar diferentes componentes de la irradiación total.

Si bien los paneles solares fotovoltaicos solares pueden convertir en electricidad tanto la irradiación directa como la irradiación difusa, la energía solar concentrada solo puede funcionar de manera eficiente con la irradiación directa, por lo que estos sistemas son adecuados solo en lugares con una nubosidad relativamente baja.

Debido a que los paneles de los colectores solares casi siempre están montados en un ángulo hacia el sol, la insolación debe ajustarse para evitar estimados que son inexactamente bajos para el invierno e incorrectamente altos para el verano. Esto también significa que la cantidad de sol que cae sobre un panel solar en latitudes altas no es tan baja en comparación con una en el ecuador como la que se vería si solo se considera la insolación en una superficie horizontal.

Los paneles fotovoltaicos se clasifican en condiciones estándar para determinar la calificación de Wp (vatios pico), que luego se puede usar con insolación para determinar la salida esperada, ajustada por factores como inclinación, seguimiento y sombreado.

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Última revisión: 4 de febrero de 2019