PRACTICA 05. Estudio de la Radiación Solar - Balance de Radiación PDF

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Uni Universidad versidad Nacional de San A Agustín gustín Fa Faccultad de C Cie ie ienc nc ncia ia iass Bio Biollógic ógicaas Esc Escuela uela de Biol ología ogía

Prac Practica tica N.º 5 “E “Est st studio udio de la Radiación Solar” Asignatura: “Meteorolog “Meteorologíía y Climatología” Docente: M.Sc. Ing. Krover W. Lazarte P. Alumno: Luiggi Yofreey Tito Ramos Semestre: “5 to” Grupo: lunes de 7:00 a 88::40 am

Are Arequipa quipa - 2021

Índice 1.

INTRODUCCIÓN: ..................................................................................................................................... 4

2.

OBJETIVOS: ............................................................................................................................................. 5

2.1. OBJETIVOS GENERALES: ................................................................................................................... 5 2.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS: ................................................................................................................. 5 3.

METODOLOGÍA: ...................................................................................................................................... 5



MATERIALES: ........................................................................................................................................... 5



METODO:................................................................................................................................................... 5

4.

RESULTADOS: ........................................................................................................................................ 6



EJERCICIO N.º 1: Estudio de la radiación solar en el tope de la atmosfera (Qs): Haciendo uso de la Tabla 5.1 realizar un gráfico de Qs (eje Y) vs el tiempo en meses (eje X), para las siguientes latitudes 6º, 10º S, 16º S, 30º S, 50º S y 66º S. Analice y explique las causas del comportamiento de Qs a estas latitudes............................................................................................................................. 6



EJERCICIO N.º 2: Análisis de la radiación solar incidente (Q + q) i: Con los datos de la tabla 5.2 elabore un meteorograma de (Q + q) i en el (eje Y) vs tiempo en horas en el (eje X) represente el mismo grafico la variación horaria de la radiación incidente para un día de verano y para un día de invierno. Analice los factores que determinen esta variación horaria de la radiación. Llenar el cuadro I. ................................................................................................................................................. 7



EJERCICIO N.º 3: Variación diaria de la radiación solar: Con los datos de la tabla 5.5 construya un gráfico de (Q + q) i vs tiempo en días en el mismo grafico también incluya un gráfico de horas sol vs tiempo (Días). Para esto considere un eje secundario a la escala de la horas sol. Analice la relación existente entre la radiación incidente y las horas sol. Determine una ecuación de regresión con la cual se puede estimar la radiación solar incidente (Q + q)i en función de las horas sol (M) .............................................................................................................................................. 8



EJERCICIO N.º 4: Variación mensual de la radiación solar: Con los datos presentados en la tabla 5.3 construir un gráfico de radiación solar (Q + q) i vs tiempo (meses). Además, dicho grafico debe realizarse para 5 estaciones meteorológicas diferentes del Perú y llenar el cuadro 2 considerando los valores máximos y mínimos. Explica la tendencia de estas variaciones en el transcurso de los meses y en diferentes estaciones del Perú........................................................... 9



EJERCICIO N.º 5: Variación multianual de la radiación solar: Con los datos presentados en la tabla 5.4 construir un gráfico de radiación solar (Q + q) i vs tiempo (años). Para este caso se pueden tomar la escala de tiempo en años, para lo cual se tomará los datos de un mes específico o también se puede tomar la escala del tiempo en meses - años, que en este caso los datos de radiación serán tomados todos los existentes en la tabla en mención. Explicar la tendencia de estas variaciones en el transcurso de los años. ................................................................................ 10



EJERCICIO N.º 6: Estimación del Balance de Radiación o Radiación Neta (Rn): El balance de radiación en la superficie terrestre conocida como la radiación neta (Rn) se refiere a la evaluación de entrada y salida de radiación en onda corta y en onda larga de dicha superficie. Se puede determinar mediante las siguiente ecuación. Completar los datos de la tabla 5.6 y Construir un meteorograma de Radiación Neta (Rn) vs Tiempo (Meses). .......................................................... 11



CUESTIONARIO: ................................................................................................................................... 13 1. Explique los factores que determinan la variación de la radiación solar en la atmósfera (Qs) ....................................................................................................................................... 13

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2. Explique las causas para la variación mensual de la radiación solar en cuanto a distribución y magnitud en diferentes localidades del Perú. ................................................... 13 3. Como se explica las diferencias de magnitudes entre la radiación en el tope de la atmósfera y la radiación solar en la superficie terrestre. .......................................................... 13 4.

Explique la variación de la radiación neta con el tiempo. ................................................. 14

5.

Discuta la relación existente entre la radiación solar y las horas de sol. ..................... 14

5.

DISCUSIÓN:............................................................................................................................................ 14

6.

CONCLUSIÓN: ....................................................................................................................................... 14

7.

BIBLIOGRAFIA: ..................................................................................................................................... 15

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Practica N.º 5 “Estudio de la Radiación Solar” 1. INTRODUCCIÓN: RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE EN EL TOPE DE LA ATMÓSFERA (Qs): Es muy importante conocer el potencial energético procedente del sol (energía solar) para diferentes lugares y épocas del año, con la finalidad de tener una idea clara de la cantidad de energía que recibe la Tierra en el tope de la atmósfera, que posteriormente es transformada y utilizada gran parte en generar los movimientos atmosféricos y oceánicos, convirtiendo al primero en una fenomenal máquina térmica. La radiación solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs) es función de la distancia media entre el Sol y la Tierra, la latitud, el ángulo horario y la declinación del sol. RADIACIÓN SOLAR EN LA SUPERFICIE TERRESTRE (Q + q): La radiación solar en el tope de la atmósfera en su recorrido a través de la masa atmosférica sufre procesos de absorción reflexión y transmisión por los constituyentes atmosféricos, nubes y aerosoles para luego recién llegar a la superficie con una menor intensidad como radiación solar directa (Q) y radiación difusa (q). HORAS DE SOL (M): Se denomina así al período durante el día en el que la Radiación solar incide sobre la superficie (se dice horas en que hay sol radiante), llamado también horas de brillo solar. FOTOPERÍODO (N): Según el recorrido aparente del sol, en sus movimientos de rotación y traslación, los rayos del sol se proyectan hacia la Tierra formando diferentes ángulos con la superficie de acuerdo a la latitud del lugar. BALANCE DE RADIACIÓN (Rn): Denominada también radiación neta, se refiere a las relaciones establecidas entre la radiación en onda corta y larga que llega a la superficie y la que sale de ella, con la finalidad de determinar la cantidad de energía disponible por la superficie para cumplir diferentes funciones, tales como suministrar calor a los cultivos, calentar el suelo a diferentes profundidades, etc. ECUACIONES EMPÍRICAS PARA EL CÁLCULO DE LA RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE: En vista de la importancia de la radiación solar para diversas actividades, tales como fuente principal de energía para la fotosíntesis en los cultivos, y en la actualidad como fuente de energía y otras aplicaciones más, se hace necesario la cuantificación, pero debido a que el material es demasiado costoso y delicado, no se cuenta con esta información, por lo que muchos autores han optado por encontrar relaciones entre la radiación solar y otros parámetros de fácil medición; habiéndose encontrado una relación con las horas del sol. Una de estas relación es la ecuación de Ángstrom: 

(𝑄 + 𝑞) = 𝑄𝑠 󰇡𝑎 + 𝑏  󰇢

𝑅 = (𝑄 + 𝑞 ) (1 − 𝛼) P á g i n a 4 | 15

Donde:  (Q + q)i : Radiacio solar incidente  α : Albedo  Qs : Radiacion en el tope de la atmósfera  M : Horas de sol  N : Fotoperiodo  Rnoc : Radiación neta de onda corta

2. OBJETIVOS: 2.1.

OBJETIVOS GENERALES:  Analizar el estudio de la Radiación Solar.

2.2.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:  Conocer la distribución latitudinal temporal de la radiación solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs).  Analizar la distribución temporal de la radiación solar directa y difusa incidente para algunas estaciones del Perú.  Calcular el balance de radiación para la superficie terrestre.

3. METODOLOGÍA:  MATERIALES:        

Datos mensuales - latitudinales de radiación solar en el tope de la atmósfera (Qs) para el hemisferio sur (HS). Datos horarios de radiación solar incidente (Q + q) i, para la estación de La Molina. Datos promedios mensuales de radiación solar incidente (Q + q) i, en las estaciones de La Católica, Huayao, Huaraz, Lambayeque y Yurimaguas. Datos promedios mensuales - multianuales de radiación solar incidente para la estación de Huayao y La Molina. Datos promedios mensuales de Temperatura, radiación incidente, presión de vapor y horas de sol para las estaciones de La Molina y Huayao. Calculadora electrónica o microcomputadora PC. Equipo de dibujo. Útiles de escritorio.

 METODO:  Con los datos de las tablas se hará el respectivo análisis, elaboración de graficos e interpretación de los Meteorogramas.

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4. RESULTADOS:  EJERCICIO N.º 1: Estudio de la radiación solar en el tope de la atmosfera (Qs): Haciendo uso de la Tabla 5.1 realizar un gráfico de Qs (eje Y) vs el tiempo en meses (eje X), para las siguientes latitudes 6º, 10º S, 16º S, 30º S, 50º S y 66º S. Analice y explique las causas del comportamiento de Qs a estas latitudes. GRÁFICO 1: RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE EN LA ATMOSFERA (Qs) vs TIEMPO (Meses)

 Interpretación: Observamos que la radiación solar incidente en la atmosfera varia respecto a los meses del año. Esto es debido a la cantidad de radiación solar que llega a la superficie es muy dependiente de la elevación del sol. En las regiones tropicales en que el sol se encuentra cerca de la vertical en los meses de verano los niveles de radiación UV son muy altos. Por el contrario, en las regiones polares la elevación del sol incluso en verano es poca y los niveles de radiación debidos a este efecto son bajos o moderados.

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 EJERCICIO N.º 2: Análisis de la radiación solar incidente (Q + q) i: Con los datos de la tabla 5.2 elabore un meteorograma de (Q + q) i en el (eje Y) vs tiempo en horas en el (eje X) represente el mismo grafico la variación horaria de la radiación incidente para un día de verano y para un día de invierno. Analice los factores que determinen esta variación horaria de la radiación. Llenar el cuadro I. GRÁFICO 2: RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE (Q + q)i vs TIEMPO (Horas)

 Interpretación: Observamos que la radiación solar incidente en el mes de enero es mayor que el mes de julio. Esto es debido a las estaciones del año ya que un mes es verano y otro invierno y el ángulo de la radiación solar en la temporada de invierno es menor a la de la temporada de verano. Y es notorio que el nivel de radiación siempre es mayor entre las 12 y 15 horas de día debido a que el sol alcanza su máximo cenit. Cuadro N.º 1: VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE LA RADIACIÓN SOLAR HORARIA Estación: La Molina Año 2008 Verano

Invierno

(Q+q) máx. = 697.3

(Q+q) min. = 0.3

Hora: 13

Hora: 6

(Q+q) máx. = 474.5 Hora: 14

(Q+q) min. = 0.0 Hora: 6 y 9

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 EJERCICIO N.º 3: Variación diaria de la radiación solar: Con los datos de la tabla 5.5 construya un gráfico de (Q + q) i vs tiempo en días en el mismo grafico también incluya un gráfico de horas sol vs tiempo (Días). Para esto considere un eje secundario a la escala de la horas sol. Analice la relación existente entre la radiación incidente y las horas sol. Determine una ecuación de regresión con la cual se puede estimar la radiación solar incidente (Q + q)i en función de las horas sol (M)

GRÁFICO 3: RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE (Q + q)i vs TIEMPO (Días)

 Interpretación: Observamos que la radiación solar incidente respecto a los días del mes de agosto, tienen una gran variación. Los primeros 15 días del mes notamos una radiación solar entre valores de 100 a 350 Ly/día, pero los últimos 16 días notamos un radiación de un valor no más de 10 Ly/día. Entonces podemos decir que hubo una gran dispersión de la radiación solar respecto a la atmosfera. Las horas sol respecto al transcurso de los días se muestra muy cambiante y también deducimos que se debe a la dispersión de la radiación solar al tener contacto con la atmosfera que por diversos factores se ve afectada.

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 EJERCICIO N.º 4: Variación mensual de la radiación solar: Con los datos presentados en la tabla 5.3 construir un gráfico de radiación solar (Q + q) i vs tiempo (meses). Además, dicho grafico debe realizarse para 5 estaciones meteorológicas diferentes del Perú y llenar el cuadro 2 considerando los valores máximos y mínimos. Explica la tendencia de estas variaciones en el transcurso de los meses y en diferentes estaciones del Perú. GRÁFICO 4: RADIACIÓN SOLAR (Q + q) i vs TIEMPO (Meses)

 Interpretación: Observamos como se da la variación de la radiación solar mensual en diferentes localidades del Perú. Vemos que, en los lugares costeros como Lambayeque, Yurimaguas y La Molina, el nivel de radiación solar es bajo. Pero para los lugares elevados de la sierra como Huaraz y CIP Huancayo, el nivel de radiación es alto. Entonces decimos que la presión atmosférica y la radiación solar son inversamente proporcionales. Pero el nivel de altura y la radiación solar son directamente proporcionales. Cuadro N.º 2: VALORES MÁXIMOS Y MÍNIMOS DE (Q + q)i Localidad

Máximas

Mínimas

Ly/día

Mes

Ly/día

Mes

La Católica

412

Febrero

161

Junio

CIP Huancayo

546

Septiembre

455

Junio

Huaraz

737

Octubre

432

Julio

Lambayeque

520

Febrero

333

Julio

Yurimaguas

416

Septiembre

320

Junio

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 EJERCICIO N.º 5: Variación multianual de la radiación solar: Con los datos presentados en la tabla 5.4 construir un gráfico de radiación solar (Q + q) i vs tiempo (años). Para este caso se pueden tomar la escala de tiempo en años, para lo cual se tomará los datos de un mes específico o también se puede tomar la escala del tiempo en meses - años, que en este caso los datos de radiación serán tomados todos los existentes en la tabla en mención. Explicar la tendencia de estas variaciones en el transcurso de los años. GRÁFICO 5: RADIACIÓN SOLAR (Q + q) i vs TIEMPO (Años)

 Interpretación: Observamos claramente que la radiación solar incidente varia respecto al tiempo (años) transcurrido, observamos que en los 15 años pasados la menor radiación solar incidente se dio en el mes de septiembre y fue aprox. 350 y la máxima se dio en el mes de noviembre y fue aprox. 710. También observamos que el promedio de la radiación solar incidente en esos años estuvo entre 550 y 600. Entre esos años en la temporada de invierno los valores de radiación solar son menores que la temporada de verano. Entonces decimos que existe una variación de la radiación solar incidente durante el transcurso de los años debido a los factores de la radiación solar a nivel de la atmosfera y también a nivel de la superficie.

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 EJERCICIO N.º 6: Estimación del Balance de Radiación o Radiación Neta (Rn): El balance de radiación en la superficie terrestre conocida como la radiación neta (Rn) se refiere a la evaluación de entrada y salida de radiación en onda corta y en onda larga de dicha superficie. Se puede determinar mediante las siguiente ecuación. Completar los datos de la tabla 5.6 y Construir un meteorograma de Radiación Neta (Rn) vs Tiempo (Meses).

𝑅𝑛 = 𝑅 + 𝑅 Donde:    

Rnoc: Radiación neta en onda corta Rnol: Radiación neta en onda larga Latitud EM La Molina 12° 5' S = -12.08 Albedo en la superficie (en décimos) = 0.2 

Hallando Fotoperiodo (N):

𝑁= Donde:

2 arccos (−𝑡𝑎𝑛ϕ 𝑥 𝑡𝑎𝑛δ) 15

 Φ: latitud del lugar  δ: declinación solar 

Hallando Rnoc:

𝑅 = (𝑄 + 𝑞 )𝑖 (1 − α)

Donde:

 (Q + q) i: radiación incidente (mm/día o ly/día)  α: albedo de la superficie en décimos 

Hallando Rnol:

Donde:     

𝑀 𝑅 = −σ 𝑇  0.56 − 0.079√𝑒 0.1 + 0.9  𝑁

σ: Constante de Stefan = 1.17 x 10-7 ly/día. K4 = 1.96615 x 10-9 mm/día. K4 T: Temperatura del aire (K) e: Presión de vapor actual (hPa) M: Horas de sol (horas) N: Fotoperíodo (horas)

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Tabla 5.6: VALORES DE Rn (ly/día) Meses

δ (º)

N (horas)

(Q + q) i Ly/día

M (HS horas)

T (K)

e (hPa)

Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

-21.1 -13.0 -2.5 9.8 19.0 23.4 21.4 13.5 1.9 -9.9 -19.3 -23.3

12.6 12.4 12.1 11.7 11.4 11.3 11.4 11.6 11.9 12.3 12.6 12.7

586.0 538.0 576.0 562.0 526.0 476.0 506.0 536.0 562.0 691.0 702.0 641.0

5.0 4.4 5.1 6.6 7.5 7.9 8.7 7.4 6.3 8.2 8.1 6.0

284.05 283.75 284.15 283.25 283.25 282.35 281.85 283.45 284.35 285.65 285.35 284.85

9.8 9.9 10.1 8.4 7.9 7.2 6.6 7.3 7.8 7.8 8.1 9.0

Rnol Rn Rnoc (Ly/día) (Ly/día) (Ly/día) 468.8 430.4 460.8 449.6 420.8 380.8 404.8 428.8 449.6 552.8 561.6 512.8

-108.7 -99.2 -113.2 -151.3 -175.7 -188.8 -208.1 -176.4 -149.2 -185.2 -176.7 -130.6

360.13 331.21 347.64 298.29 245.13 191.97 196.71 252.45 300.44 367.56 384.86 382.17

GRÁFICO 6: RADIACIÓN NETA (Rn) vs TIEMPO (Meses).

 Interpretación: Observamos que las estaciones del año afectan a las radiación neta, la temporada de verano registra mayores valores de radi...