Apuntes de Universidad: Introducción a la Radiación Solar y Conceptos Físicos

Introducción: Radiación Solar

Unidad 1 Introducción: Radiación Solar

1. El Sol y la energía solar
2. Formas de aprovechar la energía solar
3. Magnitud y unidades físicas
4. Conversión de unidades
5. Conceptos importantes

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El Sol y la energía solar

El Sol es una estrella formada por diversos elementos en estado gaseoso, principalmente hidrógeno, en condiciones tales que producen, de forma espontánea e ininterrumpida, un proceso de fusión nuclear, el cual emite luz y calor. Este es el origen de la inagotable energía solar. Por tanto, podemos decir que el Sol nos regala energía de dos formas: luz y calor.

La fuerza del sol que llega a la tierra equivale a 10.000 veces el consumo mundial de energía. Una hora de radiación solar sobre la tierra equivale al consumo energético mundial anual.

Este astro (el sol) es como una gran estrella corriente, capaz de hacer llegar hasta nosotros grandes cantidades de energía radiante. Se encuentra a una distancia de unos 150 millones de kilómetros de la Tierra y la radiación que emite tarda algo más de ocho minutos en alcanzar nuestro planeta, a una velocidad de 300.000 km/s. Desde el punto de vista cuantitativo se puede decir que sólo la mitad de la radiación solar, llega a la superficie de la tierra. La restante se pierde por reflexión y absorción en las capas de la atmósfera.

El sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la radiación que continuamente derrama sobre el planeta. Ha brillado en el cielo desde hace unos cinco mil millones de años, y se calcula que todavía no ha llegado ni a la mitad de su existencia.

A lo largo de la historia, el ser humano ha usado la energía del sol para hacer sus hogares más luminosos y calientes. Hoy, un equipamiento especial aplicado a las viviendas y diseñados específicamente, puede hacer más efectiva la captación de la energía solar para dar luz y calor. Usando la energía solar podemos hacer que nuestras viviendas sean más confortables.

Además, hemos de tener en cuenta las muchas ventajas que tiene el uso de la energía del Sol, tales como:

• Disminuir la dependencia de combustibles fósiles.
• Mejorar la calidad del medio ambiente.
• Disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero.

El aprovechamiento activo de la energía solar se puede regir bajo dos puntos de vista bien diferenciados:

• La conversión térmica o aprovechamiento del calor contenido en la radiación solar.
• La conversión eléctrica o aprovechamiento de la energía luminosa (fotones), para generar directamente energía eléctrica (efecto fotovoltaico).

Las dos tecnologías más populares para usar la energía solar son los captadores solares térmicos y los módulos solares fotovoltaicos (PV).

La producción y el mantenimiento de los sistemas de energía solar tanto térmica, como fotovoltaica, estimula nuevos sectores de trabajo y el desarrollo de empresas. Y, lo más importante: "El sol no emite facturas de energía al final del mes, la energía del sol es gratis".

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Formas de aprovechar la energía solar

• Fotoquímica: producir una reacción química en una forma similar a la fotosíntesis de las plantas.
• Fotovoltaica: células fotovoltaicas.
• Térmica:
  • Para calefacción
  • Refrigeración
  • Producción de A.C.S. (DBHE4)
  • Climatización de piscinas cubiertas (DBHE4)
  • Producción de calor en procesos industriales.
  • Uso combinado
  • De precalentamiento.

Magnitudes y unidades físicas

Durante el transcurso del módulo de Configuración de Instalaciones Solares Térmica, será necesario en muchas ocasiones, efectuar mediciones o cálculos de diversas magnitudes, tales como longitudes, superficies, temperaturas, presiones, etc.

Por ello tendremos que conocer con precisión las unidades en que expresaremos estas magnitudes y su significado físico.

En física existen muchas magnitudes diferentes, es decir, se refieren a fenómenos de distinta naturaleza. No obstante, la mayoría de ellas se pueden expresar en función de unas pocas a las que llamamos magnitudes fundamentales.

Se necesitan muy pocas magnitudes fundamentales para poder definir todas las demás magnitudes como combinación de ellas.

Por convenio se eligen como magnitudes fundamentales las siguientes: tiempo, espacio, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura absoluta, intensidad luminosa, cantidad de materia.

Cualquier otra magnitud es simplemente el resultado de combinar, multiplicando y dividiendo entre sí, estas nueve magnitudes fundamentales. Así, por ejemplo, la velocidad de un automóvil es igual al espacio que recorre dividido por el tiempo que tarda en recorrer ese espacio; por tanto, decimos que la velocidad no es una magnitud fundamental sino una magnitud derivada.

Para poder comparar los fenómenos físicos observables de una misma magnitud, elegimos uno en concreto, al que llamamos unidad, y lo comparamos con todos los demás. Por ejemplo, para medir el espacio elegimos como unidad el metro, que corresponde a una longitud perfectamente definida.

Las siete magnitudes fundamentales anteriores, se expresan en el Sistema Internacional de medidas, mediante las siguientes unidades:

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• Unidad de tiempo Segundo (s)
• Unidad de longitud Metro (m)
• Unidad de masa Kilogramo (kg)
• Unidad de intensidad de corriente eléctrica Amperio (A)
• Unidad de temperatura absoluta Grado Kelvin ("K)
• Unidad de intensidad luminosa Candela (Cd)
• Unidad de cantidad de materia Mol (mol)

A veces se utilizan varias unidades distintas para medir una misma magnitud, lo cual da lugar a cantidades numéricamente diferentes, pero equivalentes entre sí.

En el Sistema Internacional de unidades, las unidades derivadas se obtienen formando combinaciones de las unidades fundamentales en la relación 1 a 1. Ello simplifica notablemente los cálculos, pero a veces conduce a unidades muy grandes o muy pequeñas. En estos casos se debe anteponer un prefijo. Los prefijos normalizados aumentan o disminuyen la unidad principal.

Tabla.01. Múltiplo y submúltiplo.

Múltiplo Prefijo Símbolo 1012 tera T 109 giga G 105 mega M 103 kilo k 102 hecto h 10 deca da 10-1 dec d 10-2 centi C 10-3 mili m 10-6 micro μ 10-9 nano C 10- 12 pico p

Usaremos los prefijos cuando el valor de la unidad de medida sea excesivamente grande o pequeño, procurando elegir siempre los prefijos normalizados, de forma que el valor numérico tenga el menor número posible de dígitos. Por ejemplo, si deseamos expresar una longitud de 15.000 m., lo correcto será escribirlo como 15 km.

Las unidades derivadas que más interés revisten son:

• Velocidad: Cociente entre una longitud y un tiempo. Se expresa en m/s.
• Aceleración: Es el valor en que varía la velocidad en cada unidad de tiempo. Se expresa en m/s2. Así, un automóvil que aumente su velocidad en 3 m/s por cada segundo de tiempo que transcurre, tendrá una aceleración de 3 m/s2.

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• Fuerza: Es el producto de una masa por una aceleración. En el sistema internacional, esta unidad recibe el nombre de Newton (N). 1 N = 1kg × 1 m/s2 A la fuerza con que la tierra atrae gravitatoriamente a los objetos que tienen masa se la denomina peso, p. Por tanto: p =m ×g Donde g es la llamada aceleración de la gravedad que vale aproximadamente 9,8 m/s2. Supongamos una masa de 1 kg, suspendida de un muelle vertical. El muelle ejerce una fuerza que en ausencia de la masa lo situaría en el estado de reposo. La masa está sometida a la aceleración de la gravedad; en consecuencia, el muelle realiza una fuerza de: F = 1 kg × 9,8 m/s2 = 9,8 N = 1kp Si deseamos que el muelle realice una fuerza de 1 N, debemos reducir el valor de la masa, puesto que la aceleración de la gravedad es invariable. El valor de esta masa será de: m = 1 (N) / 9,8 (m/s2) =0,102 kg Por lo tanto, 1 N es la fuerza con que la gravedad terrestre atrae a una masa de 0,102 kg.
• Trabajo (Energía). La energía es la capacidad de un cuerpo o de un sistema para producir trabajo mecánico. A su vez, el trabajo mecánico realizado por una fuerza que actúa sobre un cuerpo se define como el producto de dicha fuerza por la distancia recorrida por el cuerpo en la dirección de la fuerza. Una fuerza al aplicarse a un cuerpo en reposo no siempre ha de producir necesariamente el movimiento del mismo, sino que a veces produce únicamente una deformación despreciable. En el primer caso, en el que el cuerpo se mueve, la fuerza realiza un trabajo, pero en el segundo no. Se define el trabajo T, como el producto del espacio recorrido y el valor de la fuerza en la misma dirección que el desplazamiento del cuerpo. T=fxe La unidad de energía o trabajo en el SI, recibe el nombre de Julio (J) y expresa la capacidad de realizar un trabajo útil. 1J=1 N× 1 m
• Potencia: Es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo. Es decir, el cociente entre el valor de la energía y el tiempo en que ha actuado esa energía. Esta unidad en el SI, recibe el nombre de vatio (W). 1W = 1/ 1 s

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La potencia expresa la capacidad de suministrar una energía en un tiempo determinado. Así para levantar una masa a una cierta altura, se precisa una cantidad de energía, que es exactamente la misma si se levanta poco a poco o rápidamente. La potencia es mayor en el caso de levantarlo rápidamente (en el menor tiempo posible).

Ejemplo de cálculo de potencia

Al levantar una caja una caja de peso 8 kp, desde el suelo hasta una altura de 1,8 metros, se realiza un trabajo igual al producto del peso por la altura.

T= 8 (kp) · 1,8 (m) = (8 ×9,8)(N)×1,8(m)=141,12 J

Si se tarda 5 segundos en efectuar dicho levantamiento, la potencia media desarrollada será igual a:

P= 141,12 (J) / 5 (s) = 28,224 W

• Presión: La presión se define como el cociente entre una fuerza y la superficie sobre la que actúa. La unidad de presión en el SI es el Pascal (Pa). 1 Pa = 1 N / 1 m2.
• Calor específico: El calor específico de un cuerpo o elemento, expresa la cantidad de energía necesaria para elevar en 1 K la temperatura de 1 kg de masa del cuerpo o elemento. Se mide en J/kg·K. También se pueden expresar en kcal/kg.ºC ó Cal/g.ºC. Para el transporte de calor interesa utilizar sustancias que tengan un "Ce" alto, ya que de esta forma se necesita menos masa para la misma cantidad de calor. Ce (agua) = 1 kcal/kg.º℃ Ce (aire) = 0,24 kcal/kg.º℃ Ce (cobre) = 0,217 kcal/kg.℃ Ce (acero inoxidable) = 0,109 kcal/kg.℃

Conversión de unidades

Es imprescindible saber convertir correctamente del valor de una magnitud expresada en unas determinadas unidades a su valor en otras unidades diferentes, ya que estos cambios se emplean con frecuencia en la práctica.

Por ejemplo, la velocidad de un automóvil se suele expresar en kilómetros por hora (km/h) y no en metros por segundo (m/s).

En la siguiente tabla se dan los cambios de unidades más importantes, que se usan habitualmente en instalaciones solares térmicas.

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