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¿Qué es la radiación solar?

¿Qué es la radiación solar?

La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra está condicionada por dos fenómenos de distinta naturaleza: Factores astronómicos y Factores climáticos.

La radiación solar que llega a la superficie de la Tierra está condicionada por dos fenómenos de distinta naturaleza:

  1. Factores astronómicos: aquellos que dependen de la geometría Tierra-Sol. Son función de la posición relativa Sol-Tierra y de las coordenadas geográficas del lugar considerado, latitud y longitud. Condicionan básicamente el recorrido de la radiación a través de la atmósfera y el ángulo de incidencia de los rayos solares. Son función, pues, de la altura solar y el azimut solar en cada instante.
  2. Factores climáticos: no toda la radiación máxima esperable para cada altura solar y cada localidad será siempre observable en la superficie de la Tierra. Los factores climáticos atenuarán la misma. Las nubes, la cantidad de vapor de agua, el ozono, los aerosoles... contenidos en la atmósfera son los responsables de esta atenuación, que ocurre fundamentalmente por absorción, reflexión y difusión de la radiación.

Es importante distinguir entre:

  1. Irradiación o radiación, que es la cantidad de energía solar por unidad de área que se recibe durante un determinado tiempo y se expresa en las unidades correspondientes del SI, es decir, en julios dividido por metro cuadrado (J/m²) o sus múltiplos (normalmente, el megajulio, MJ/m²). También se emplea una unidad de energía muy frecuente en el mundo real, el kWh (kilovatio por hora) en lugar del julio o sus múltiplos. El cambio es muy simple: 1 kWh = 3,6 MJ.
  2. Irradiancia, que es la potencia instantánea recibida por unidad de área y se expresa en la unidad correspondiente del SI, el vatio dividido por metro cuadrado (W/m²).

En cuanto a los símbolos empleados para representarlas hay una clara confusión a nivel internacional. Generalmente se utiliza I para representar la irradiancia y G para la irradiación, por ser las empleadas habitualmente por los textos más significativos dedicados a la radiación solar. No obstante, en algunos casos, la irradiación solar también se simbolizará con H. Para no confundirse, es importante fijarse en las unidades: si son de energía, se tratará de un dato de irradiación; si son de potencia, de irradiancia.

La fórmula que las relaciona es:

I = G / S x t

Donde:

  1. I: intensidad radiante (W/m2)
  2. G: energía (Julios)
  3. S: superficie (m2)
  4. T: tiempo (s)

Distribución de la radiación solar

La potencia radiante de 1.367 W/m² que llega a la Tierra no es la que finalmente alcanza la superficie terrestre debido a que la atmósfera terrestre atenúa la radiación solar por la reflexión, absorción y difusión que los componentes atmosféricos producen sobre la radiación solar.

Esta atenuación depende bastante del lugar donde se mida, siendo mayor en los lugares industriales y en las ciudades. Además, los efectos meteorológicos locales, como nubosidad, lluvia, nieve..., afectan también a la irradiancia solar que llega a un determinado lugar.

En la superficie terrestre, en un plano horizontal, en un día claro a mediodía, la irradiancia puede alcanzar fácilmente un valor máximo de unos 1.000 W/m², aunque este valor dependerá del lugar y, sobre todo, de la nubosidad.

Si se suma toda la radiación global que incide sobre un lugar determinado en un periodo de tiempo definido (hora, día, mes, o año) se obtiene la energía en kWh/m² (o MJ/m²) en dicho periodo. Este valor es diferente según la región.

Hay regiones que alcanzan un nivel máximo de irradiación por encima de 2.300 kWh/m² año, otras (sur de Europa, por ejemplo, España) la radiación solar máxima es de unos 1.700-1.800 kWh/m² por año.

Hay que destacar que en Europa existe mucha diferencia entre los niveles de radiación solar según la estación del año, dándose valores extremos en verano e invierno.

Naturaleza de la radiación solar

La radiación global (procedente directamente del Sol) se refleja por la presencia de las nubes, el vapor de agua..., y se dispersa por las moléculas de agua, el polvo en suspensión... Por todo esto, la radiación solar que llega a una superficie se divide en tres partes.

Estas son:

  1. Radiación directa (HD): formada por los rayos procedentes del Sol directamente.
  2. Radiación difusa (Hd): procedente de toda bóveda celeste, excepto la que llega del Sol. Originada por los efectos de dispersión de los componentes de la atmósfera, incluidas las nubes.
  3. Radiación de albedo o reflejada (HR): procedente del suelo, debida a la reflexión de parte de la radiación incidente sobre él. Depende muy directamente de la naturaleza de este. Al cociente entre la radiación reflejada y la incidente en la superficie de la Tierra se le llama albedo.

El albedo depende de la superficie sobre la que se refleja, por ejemplo, el albedo en la nieve es de 0.9, mientras que el del mar, 0.1, en el suelo desnudo puede variar entre 0.15 – 0.25. En los días nublados, la única forma de energía es la difusa, la cual se filtra por la bóveda celeste y la capa de nubes. Esta radiación es una tercera parte de toda la radiación recibida en todo el año. En los días claros, la energía directa es muchísimo mayor.

La cantidad de energía debida a la radiación directa que puede captar una superficie que está expuesta a los rayos solares depende del ángulo existente entre la superficie y los rayos del Sol. Cuando dicho ángulo sea 90º, su valor será máximo y se irá decreciendo al disminuir este.

Es evidente que la intensidad sobre la superficie varía en la misma proporción que lo hace la energía E, por lo que, si llamamos I’D a la intensidad directa de los rayos del sol e ID a la intensidad directa sobre la horizontal.

La fórmula es la siguiente:

ID = I’Dcosa

Este efecto de inclinación es la causa por la cual los rayos solares calientan mucho más al mediodía solar que en las primeras horas de la mañana (o en las últimas horas de la tarde), ya que en estos casos el ángulo que forma el rayo con la normal a la superficie es grande y, por tanto, el factor cosα hace que la intensidad sea pequeña. La diferencia de inclinación de los rayos solares es asimismo la causa por la que las regiones de latitudes altas (cercanas a los polos) reciban mucha menos energía que las más cercanas al ecuador.

Fuentes de datos de radiación

Así, en el mercado hay diferentes programas, unos de pago y otros de acceso gratuito, que facilitan los datos de radiación necesarios para estudiar el recurso solar existente en un emplazamiento.

Veamos estos ejemplos:

  1. Meteonorm, software de pago, presenta datos climatológicos de más de 8.055 estaciones meteorológicas. Los parámetros de medición que ofrece son: medias mensuales de radiación global, temperatura, humedad, precipitación, días con precipitación, velocidad y dirección del viento, duración de la insolación, periodos de tiempo 1961-1990 y 1996-2005 para la temperatura, humedad; precipitación y velocidad del viento seleccionable; base de datos de radiación global para el periodo 1981-2000; uso de datos obtenidos por satélite para las zonas con baja densidad de estaciones meteorológicas, etc.
  2. PVGIS (Sistema de Información Geográfica Fotovoltaica) ofrece datos históricos recogidos por satélite. Actualmente dispone de dos bases de datos:
    1. Original PVGIS Europa. La base de datos de PV original para Europa se basa en una interpolación de las mediciones de estación de Tierra. Los datos de esta medición están en la media mensual a largo plazo de la radiación global y difusa en un plano horizontal. Los datos fueron originalmente parte del Atlas de Radiación Solar Europeo. El periodo de tiempo de los datos es de 10 años, de 1981 a 1990.
    2. Original África PVGIS. Esta base de datos es a partir de cálculos basados en satélites realizados en MINES ParisTech, Francia, a partir de datos de la primera generación de la serie Meteosat de satélites. La resolución espacial del cálculo original es 15 minutos de arco, o alrededor de 28 kilómetros a la derecha debajo del satélite (en el ecuador, 0°W). Los datos corresponden al periodo 1985-2004.
  3. Nuevo CM-SAF - la base de datos PVGIS para Europa y África. Estos datos se basan en cálculos a partir de imágenes satelitales realizadas por CM-SAF (ver también las referencias 4 a 6). La base de datos representa un total de 12 años de datos. Desde la primera generación de satélites Meteosat (5-7), conocidos como MFG, hay datos desde 1998 hasta 2005 y de los satélites Meteosat de segunda generación (conocido como MSG) hay datos de junio 2006 a diciembre 2011. La resolución espacial es de 1,5 minutos de arco (unos 3 km a la derecha por debajo del satélite a 0°N, 0°W). La cobertura se extiende desde 35°S a 58°N y de 18°W hasta 55°E.
  4. Satellight real data proporciona datos reales medidos en los valores de hora, más de cinco años (1996-2000), para cualquier píxel de 5x7 km² en Europa.
  5. Helioclim 1 Europa + África, son datos de satélite del Meteosat, teniendo en cuenta para cada año de forma independiente para Europa 1985-2005 y África. El acceso del público para las pruebas se limita a los datos de 1985-1989.
  6. Helioclim-3.
  7. NASA-SSE (Superficie de Meteorología y del Programa de Energía Solar) tienen datos mensuales procedentes de los satélites con una cuadrícula de 1° x 1° (111 km) que cubren el mundo entero, por un periodo de 10 años (1983-1993).
  8. RetScreen Wordwide es un software canadiense que posee una base de datos completa para cualquier lugar del mundo.
  9. Atlas de Radiación Solar en España” utilizando datos del SAF de Clima de EUMETSAT
  10. Atlas de Radiación” específicos de zonas concretas (Aragón, Castilla y León, País Vasco…).
  11. Base de datos de CENSOLAR (Centro de Estudios de la Energía Solar), las tablas se pueden consultar en el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE de Instalaciones de Baja Temperatura (Rev. enero 2009).
  12. Radiación solar en Andalucía, programa que permite la obtención de los parámetros climatológicos necesarios para la evaluación del recurso solar existente en los distintos municipios de Andalucía.

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