2 - Apuntes 1,2 PDF

Preview

Summary

primer apunte de energia solar...

Description

21/10/2020

Contenido

Contenido

Sitio:

Bienvenido a Oficiando

Curso:

Energía Solar- Módulo 1

Libro:

Contenido

Imprimido por:

Mario Luis Cortes

Día:

Wednesday, 21 de October de 2020, 12:37

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

1/38

21/10/2020

Contenido

Tabla de contenidos 1. Energía solar 2. El sol y el sistema solar 3. ¿Cómo se produce la energía solar? 4. Espectro electromagnético 5. Espectro solar 6. Variación espectral 7. Movimiento de traslación y rotación 8. Radiación Global 9. Irradiancia 10. Insolación 10.1. Colector horizontal o inclinado 10.2. Hora Solar Pico (HSP)

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

2/38

21/10/2020

Contenido

1. Energía solar El sol es la principal fuente de energía de la tierra. Toda la energía que de una u ot forma llega o ha quedado almacenada en la tierra, tiene como fuente primera el so por ello, quizá, que desde los inicios de la historia la relación de la humanidad con sol ha sido fundamental para nuestras formas de organización. El sol ha sido para nosotros, desde una perspectiva cultural, el símbolo del nacimiento, de la ilumina de la sabiduría; en fin, el símbolo de la vida misma. No en vano, muchas son las civilizaciones que le atribuyeron oficios divinos, que lo convirtieron en Dios para s objeto de adoración.

A pesar de toda esta importancia que le hemos dado al sol a través de la historia, a momento de emprender la Revolución Industrial y requerir por ende de fuentes d energía para hacer trabajo distintas al humano, el sol no se convirtió en la fuente directa de esta energía. Esto, por supuesto, no respondió a algún deliberado prejuicio de las sociedades de época en contra del sol, sino al poco conocimiento sobre su naturaleza física, así c también al desarrollo de tecnologías capaces de aprovechar otras fuentes de energ distintas.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

3/38

21/10/2020

Contenido

No obstante, con el paso del tiempo, la investigación científica y el desarrollo de tecnologías han permitido que el sol se consolide como una fuente de energía, no viable para la humanidad, sino que prácticamente inagotable. El avance científico lo ha posicionado de nuevo como centro de nuestra vida socia no para atribuirle cualidades místicas, sino que desentrañando sus intrínsecas particularidades, lo ha convertido en un medio para satisfacer nuestras necesidad terrenales contemporáneas.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

4/38

21/10/2020

Contenido

2. El sol y el sistema solar El sol es la estrella del sistema solar al cual pertenece la tierra; es decir, es el cuerp mayor masa alrededor del cual orbitan todos los planetas del sistema solar, incluy por supuesto, la tierra.

Entre sus características principales podemos mencionar: -

Como estrella es considerada una “enana amarilla”.

-

Es la estrella más cercana a la tierra.

-

Se originó hace aproximadamente 4650 millones de años.

-

Posee combustible para 7500 millones de años más.

-

En su núcleo, la temperatura es aproximadamente de 15.700.000 K.

-

En su superficie, la temperatura aproximada es de 5.800 K.

-

En comparación con la tierra, su volumen es 200 veces mayor y su gravedad

veces más intensa. -

Su período de rotación sobre el eje dura de 25 a 36 días.

Así mismo, está compuesto de la siguiente manera: -

Un 73,46% de Hidrógeno.

-

Un 24,85% de Helio.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

5/38

21/10/2020

Contenido

-

Un 0,77% de Oxígeno.

-

Un 0,29% de Carbono.

-

Un 0,16% de Hierro.

-

Un 0,12% de Neón.

-

Un 0,09% de Nitrógeno.

-

Un 0,07% de Silicio.

-

Un 0,05% de Magnesio.

-

Un 0,04% de Azufre.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

6/38

21/10/2020

Contenido

3. ¿Cómo se produce la energía solar? Dada la alta temperatura existente en el núcleo del sol, los átomos de hidrógeno comienzan a colisionar entre sí a altísimas velocidades. Estas colisiones generan reacciones nucleares denominadas fusiones nucleares, que implican que los núcle los átomos se “mezclan” formando así un nuevo átomo, que en este caso, es el Hel decir, en el núcleo del sol, los átomos de hidrógeno se fusionan y crean un átomo Helio. No obstante, el nuevo átomo de Helio que se ha creado no posee toda la masa sum de los dos átomos de Hidrógeno que lo crearon. Es decir, en el proceso de fusión, parte de la masa de los átomos de Hidrógeno se desprende. Esa masa (materia) qu desprende, es la que se transforma en energía.

¿Cuánto tarda esa energía creada en el núcleo del sol en llegar a la tier Una vez que la fusión nuclear en el núcleo del sol convirtió una parte de la masa d átomos de hidrógeno en energía, ésta, como un fotón de energía, comienza su viaj hasta la tierra. Sin embargo, el trayecto más arduo del fotón no es desde el sol has tierra, sino el trayecto desde el núcleo del sol hasta la superficie del sol. Un fotón tarda alrededor de 170.000 años en llegar desde el núcleo del sol hasta s superficie. Esto es producto de la alta densidad de las distintas capas de las cuales compuesto el sol. Una vez logra llegar a la superficie, el fotón recorre los 150 millo de kilómetros que hay entre el sol y la tierra en poco más de 8 minutos.

¿Cómo se propaga esta energía solar? Los fotones, que son básicamente las partículas de la luz visible y la no visible, tien particularidad de propagarse en el espacio como ondas; en este caso conocidas co ondas electromagnéticas. Es decir, el sol irradia al espacio energía en forma de on electromagnéticas, proceso al cual se le denomina radiación solar.

¿Cuánta energía genera el sol? El sol emite energía al espacio a un ritmo de 3,85x1014 TW. Esta cifra, sin embarg emite en todas las direcciones. Es decir, sólo una parte de esta energía la irradia e dirección de la tierra.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

7/38

21/10/2020

Contenido

La energía que irradia en dirección de la tierra es de aproximadamente 174.000 T (1,5x1014 TWh anuales); lo cual es 11.600 veces más que los 15 TW (140.000 TWh anuales) de potencia media correspondiente al ritmo de consumo energético mun actual. ¿Qué quiere decir esto? Quiere decir que con menos de una hora de sol intercepta por la tierra, es suficiente energía para satisfacer la demanda energética total mun durante todo un año. No obstante, no toda esta energía que llega a la tierra es aprovechable. Actualmen calcula que el 40% de la energía que intercepta la tierra es aprovechable para ser manipulada por nosotros. Esto sigue siendo una cantidad muy por encima de la demanda energética mundial. Para tener una idea general de cómo se distribuye la energía solar que llega a la tie podemos decir que:

-

174.000 TW que salen del sol son interceptados por la tierra, de este total:

o 23% se refleja y se dispersa, principalmente por las nubes. o 8% se refleja por la superficie de la tierra. o 47% es convertido en calor de baja temperatura y re irradiada al espacio. o 20% brinda energía al ciclo de evaporación y precipitación de la biósfera. o Menos del 0,5% se transforma en energía cinética del viento, las olas y en almacenamiento fotosintético en las plantas verdes.

Entonces, es de ese más de 40% de energía que termina llegando directamente a l biósfera (la capa de la tierra en la que vivimos), donde se puede aprovechar la ene para transferirla a otros cuerpos o transformarlas en otros tipos de energía.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

8/38

21/10/2020

Contenido

4. Espectro electromagnético Espectro electromagnético se denomina a la distribución energética del conjunto ondas electromagnéticas que irradia un cuerpo o sustancia. Las diferencias entre el conjunto de ondas electromagnéticas que conforman el espectro electromagnético radican en: -

Su longitud de onda.

-

Su frecuencia de onda.

-

Su intensidad de radiación.

Los diferentes tipos de ondas que conforman el espectro electromagnético son: -

Ondas de radio

-

Microondas

-

Infrarrojo

-

Visible (La luz visible)

-

Ultravioleta

-

Rayos X

-

Rayos Gamma

Como se muestra en la imagen siguiente, cada una de estas corresponde a una frecuencia y una longitud de ondas diferentes.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

9/38

21/10/2020

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

Contenido

10/38

21/10/2020

Contenido

5. Espectro solar Al espectro electromagnético que irradia el sol se le denomina espectro solar, el cu está determinado por su intensidad energética. Este espectro solar, que es el que llega hasta la tierra, está conformado por tres longitudes de onda con distintas intensidades: -

Ondas infrarrojas

-

Ondas visibles

-

Ondas ultravioletas

Como vemos en la gráfica, la intensidad de la radiación no es igual para todas las frecuencias. La forma del espectro solar está determinada por la temperatura del s Más allá del sentido teórico, para entender en sentido práctico la intensidad energ de las distintas ondas del espectro solar, podemos decir que: -

Las ondas infrarrojas llegan a la superficie terrestre y se perciben como calor

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

11/38

21/10/2020

Contenido

-

Las ondas visibles, que son las de mayor intensidad, las percibimos como luz

son las que se pueden transformar en electricidad. Las ondas ultravioletas que logran traspasar la atmósfera terrestre son las qu broncean la piel.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

12/38

21/10/2020

Contenido

6. Variación espectral Se llama variación espectral al conjunto de cambios que sufre el espectro solar cua atraviesa la atmósfera terrestre. Como la atmósfera terrestre está formada de gases, partículas en suspensión, vapo agua, etc.; cuando el espectro solar la atraviesa, éste deja parte de su energía en la atmósfera. Esto es producto de las características de la luz en su interacción con la materia; es decir, los procesos de absorción, reflexión o dispersión. Por ejemplo: -

La mayor parte de las Ondas Ultravioletas o las Ondas Infrarrojas que llegan desde el sol a la tier

absorbidas o repelidas por la atmósfera terrestre.

Como vemos en la gráfica, el espacio en amarillo representa la intensidad energét que llega a la atmósfera, y el espacio rojo representa la intensidad energética que e efecto atraviesa la atmósfera para llegar a la biósfera (espacio en el que vivimos). Estas variaciones del espectro solar se ven disminuidas o intensificadas producto movimiento de la tierra; es decir, la posición en la que esté la tierra respecto del so condicionará la cantidad y la energía de las ondas que finalmente llegan a la biósfe ¿Por qué? Porque la posición de la tierra respecto del sol hará que las ondas tenga atravesar mayor o menor distancia en la atmósfera.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

13/38

21/10/2020

Contenido

Cuando hablamos de la posición de la tierra respecto del sol nos referimos, por supuesto, a: -

El movimiento de traslación de la tierra alrededor del sol.

-

El movimiento de rotación de la tierra sobre su propio eje.

-

La inclinación del eje de la tierra.

-

El lugar o espacio determinado de la tierra y cómo inciden sobre él las ondas.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

14/38

21/10/2020

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

Contenido

15/38

21/10/2020

Contenido

7. Movimiento de traslación y rotación El movimiento de traslación es el movimiento elíptico alrededor del sol que da ori las estaciones del año; las cuales se dan producto de la inclinación del eje de rotac de la tierra (que es de aproximadamente 23,3°). Si no fuese porque el eje de rotaci la tierra está inclinado respecto de la incidencia de la radiación solar, no habría estaciones pues el sol siempre incidiría de forma igual en las distintas regiones de tierra. Por ejemplo, en el hemisferio sur, el verano ocurre cuando la tierra, en su movimi de traslación se encuentra en el punto más cercano del sol (perihelio); y el inviern ocurre cuando la tierra está en el punto más lejano al sol (afelio). No obstante, las estaciones se dan es porque, producto de la inclinación del eje de la tierra, cuando se encuentra en el punto más alejado del sol, los rayos solares deben recorrer may distancia para llegar a las regiones del hemisferio sur. Así mismo, cuando la tierra en el Perihelio, los rayos solares deben recorrer menos distancia en la atmósfera p llegar a la biósfera. Como consecuencia de esto, la diferencia de la intensidad de la radiación entre am estaciones es del 6,7%; siendo mayor la intensidad en el verano y menor en el invi

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

16/38

21/10/2020

Contenido

Masa de aire: Masa de aire se denomina a la espesura de la capa atmosférica por la cual atravies rayos luminosos provenientes del sol. Este parámetro determina indirectamente l distancia entre la altura del sol respecto al horizonte y un observador fijo en la tier Cuando para un observador desde la tierra el sol se encuentra en un ángulo de 90 respecto del horizonte, se dice que ese punto donde está el sol es el Zenit, y es el lu donde los rayos luminosos deben recorrer menor distancia a través de la atmósfer decir, menos Masa de aire. En base a este Zenit, que es el punto con menor distancia, y por ende, con mayor intensidad de los rayos luminosos, se medirán las distintas posiciones del sol resp del zenit, y por tanto, la distancia que tendrán que recorrer los rayos luminosos pa poder atravesar la atmósfera. Es decir, la Masa de aire que un rayo luminoso debe atravesar es igual a 1 (que es valor del Zenit como referencia), entre el coseno del ángulo que nace entre el Zeni posición del sol.

Este concepto se ve reflejado en la siguiente fórmula: Masa de aire = 1 / Coseno del ángulo Donde 1 es el valor del Zenit como referencia, y el ángulo es el existente entre el Z la posición del sol.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

17/38

21/10/2020

Contenido

Es decir, mientras mayor sea el ángulo de incidencia de los rayos luminosos respe del Zenit, mayor será la Masa de aire que éstos deben atravesar para llegar a la tie por ende, menor la intensidad de radiación de éstos. Por ello es que durante las distintas estaciones del año varían las intensidades del espectro solar.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

18/38

21/10/2020

Contenido

8. Radiación Global Se llama radiación global a la cantidad de radiación solar que, en efecto, ha traspa la atmósfera de la tierra, y por ende, ha llegado hasta la superficie terrestre. Es de ésta es la radiación energética que finalmente podremos aprovechar para transfer transformar. Esta radiación podemos encontrarla de tres formas distintas: -

Directa

-

Difusa

-

Reflejada (Albedo)

Directa: Se llama radiación directa a aquella radiación que no ha sido desviada por la atmó terrestre; es decir, que no ha sido absorbida, reflejada o dispersada por la atmósfe sino que ha atravesado directamente la superficie terrestre.

Difusa: Es la radiación que, al atravesar la atmósfera, se vio modificada en cierta medida p ésta. Por ejemplo, en un día completamente nublado, toda la radiación que se reci difusa puesto que las nubes absorben y difuminan la radiación.

Reflejada (Albedo): Al atravesar la atmósfera, ya sea de forma directa o difusa, la radiación también se puede reflejar en la superficie terrestre, y desde allí, puede “alimentar” algún colec panel de energía solar.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

19/38

21/10/2020

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

Contenido

20/38

21/10/2020

Contenido

9. Irradiancia La irradiancia es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por un de superficie de todo tipo de radiación electromagnética. Es decir, es la magnitud describe cuánta potencia llega a una superficie determinada. Por ejemplo, si tenemos un panel solar de un metro cuadrado, la irradiancia será l cantidad de potencia que incide sobre ese metro cuadrado. Por eso su unidad de medida es el Watt por Metro cuadrado (W/m 2). La potencia en forma de ondas que emite una fuente de energía, al salir de la fuen esparce. Por ende, la potencia que llega a un espacio determinado no es la misma salió de la fuente. Supongamos que tenemos un bombillo de 100 W y lo miramos a una distancia de cm. La potencia que llega a la superficie de nuestros ojos es tanta que no podemos más que la luz. Si, en cambio, nos alejamos del bombillo a una distancia de 10 m, superficie de nuestros ojos se hace más chica respecto del bombillo, y por ende, la potencia que llega es menor. Por ello se mide la potencia incidente sobre un espac determinado y no sólo la potencia que emite la fuente de energía. Constante solar La radiación solar es casi constante en el exterior de la atmósfera, por ello se le co como Constante Solar. Su valor promedio es 1350 W/m2.

Esta energía que constantemente llega al exterior de la atmósfera terrestre, está a vez dividida entre las distintas frecuencias y longitudes de onda que conforman el espectro solar. Así podemos decir que: -

El 50% de esta energía son ondas de luz visible.

campus.oficiando.com/mod/book/tool/print/index.php?id=328

21/38

21/10/2020

Contenido

-

El 47% de esta energía son ondas infrarrojas.

-

Sólo el 3% de esta energía son ondas ultravioletas.

Los 1350 W/m2 que llegan constantemente a la atmósfera terrestre, luego de atravesarla, puede disminuirse en un 25%. Es decir, en un día con buenas condici climáticas (poca nubosidad), la irradiancia que llega a la superficie se puede dism en un 25%. Para tener un parámetro que estandarice la irradiancia que llega a la superficie terrestre podemos decir que: La irradiancia global máxima al medio día sobre el ecuador ...