Laura Enríquez Barcia Página 1
Índice
1. Conceptos elementales de astronomía en cuanto a la posición solar ... 3
1.1. Introducción ... 3
1.2. Coordenadas terrestres ... 3
1.3. Posicionamiento solar ... 3
1.4. Las estaciones del año ... 4
1.5. Declinación solar ... 4
1.6. Equinoccios (Igual noche) ... 5
1.7. Solsticio de Verano ... 6
1.8. Solsticio de Invierno ... 7
1.9. Posicionamiento solar ... 7
1.10. Hora solar ... 8
1.11. Hora solar y hora verdadera ... 8
1.12. Ecuación del tiempo ... 9
1.13. Husos horarios y hora local ... 9
1.14. La hora oficial ... 10
1.15. Resumen ... 11
2. Conversión de la energía solar. Energía incidente sobre una superficie plana inclinada ... 12
2.1. Aprovechamientos técnicos ... 12
3. Orientación e Inclinación óptima anual, estacional y diaria ... 14
3.1. Radiación solar: tipos y forma de incidencia sobre la superficie terrestre 14 3.2. Orientación ... 15
3.3. Inclinación ... 16
3.4. Inclinación solar solsticios ... 16
3.5. Límites pérdidas ... 17
3.6. Pérdidas por orientación e inclinación... 17
4. Radiación Solar y Métodos de Cálculo... 20
4.1. Radiación solar: el sol ... 20
4.2. La energía solar ... 20
4.3. Constante solar ... 21
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4.5. Espectro solar ... 23
4.6. Se puede medir esta energía incidente? ... 23
5. Cálculo Sombreamiento externos y entre captadores. Método de cálculo F-Chart y dinámico ... 24
5.1. Sombreamiento externo ... 24
5.2. Sombreamiento entre colectores ... 25
5.3. Pérdidas por sombreamiento y bloqueos ... 26
5.4. Ejemplo de sombreamiento ... 28
6. Efecto invernadero en un colector ... 31
6.1. Transmisión de Energía ... 31
6.2. Colector solar ... 31
6.3. Colector solar (elementos) ... 32
Laura Enríquez Barcia Página 3 1. Conceptos elementales de astronomía en cuanto a la posición solar
1.1. Introducción
El sol sale por el ESTE y se pone por el OESTE.
Dependiendo de la época del año, la trayectoria descrita del SOL a lo largo del día varía (puede elevarse más o menos)
El Sol NO SE MUEVE, lo que se mueve es la Tierra respecto al Sol, lo que
hace que veamos el Sol salir por el Este y esconderse por el Oeste.
1.2. Coordenadas terrestres
Cualquier punto de la tierra se puede
localizar por sus coordenadas globales,
denominadas Latitud (j) y Longitud (L),
correspondientes a su paralelo y meridiano
respectivamente.
La latitud (j) se mide por su elevación en
grados respecto al ecuador, considerando
el polo N como j = 90º N. Son paralelos de
referencia del hemisferio norte:
La longitud es el ángulo que forma el meridiano del lugar con el
meridiano 0º de referencia que pasa por Greenwich (Londres). La longitud
media de Galicia es de 8º Oeste. Es de interés para calcular el mediodía local
(instante en que el sol tiene la altura máxima) a partir de la hora solar media,
común para un uso horario de 15º de ancho (360º / 24 horas = 15 º/hora).
Como resumen, sólo falta indicar la altitud de un lugar junto con sus
coordenadas terrestres para situar cualquier punto de la tierra.
Como ejemplo, CIFP Ferrolterra: Lat. = 43° 29' 11.74" N, Long= 8° 13' 21.39“ O , Alt=9 m.
Laura Enríquez Barcia Página 4 Podemos conocer en qué posición se encuentra el sol en cada momento, respecto a un punto concreto. El posicionamiento solar lo establecemos con 2 coordenadas (altura solar y azimut solar)
Altura Solar (h)
Ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal
(O como el ángulo complementario a la altura solar y la vertical; Ángulo cenital (z))
Azimut solar
Ángulo de giro que describe el Sol sobre la superficie a lo largo de un día, tomando como referencia el Sur. Hacia el Este, los ángulos son (-) y hacia el Oeste (+).
Las coordenadas serán distintas para 2 observadores que se encuentren en diferentes lugares y que son para un instante determinado, ya que, van modificándose con el desplazamiento de la Tierra.
1.4. Las estaciones del año
Debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol y a la inclinación que tiene el eje de la Tierra, se generan diferencias en el Clima, creando las estaciones.
Laura Enríquez Barcia Página 5 La declinación (d) es el ángulo que forma el rayo solar con el plano del ecuador en cada época del año, determinando las estaciones climáticas. En el caso del hemisferio norte, las principales fechas estacionales son:
El ángulo de declinación para cualquier fecha puede obtenerse mediante la fórmula de Cooper: d = 23,5 x sen (284 + n/365), Siendo n el día del año del 1 al 365
En esta imagen se puede ver la posición extrema de uno de los solsticios, dependiendo de cómo esté inclinado el eje de la tierra respecto al Sol, será de invierno o verano.
Cuando la Tierra se encuentra en los equinoccios, la inclinación del eje respecto al Sol, no se ve afectada; además, justo el día de los equinoccios el eje se pone vertical (Por eso la duración del día y la noche es igual)
Inicio H. NORTE H.SUR Días Duración Inclinación
20-21 Marzo Primavera Otoño 92,2 0º
21-22 Junio Verano Invierno 93,7 23,5º Norte
23-24 Septiembre
Otoño Primavera 89,6 0º
21-22 Diciembre
Invierno Verano 89,0 23,5º
1.6. Equinoccios (Igual noche)
El recorrido solar, el 21 de marzo y septiembre, se caracteriza porque el
Orto (Amanecer) coincide con el Este, a las 6:00 horas, y el Ocaso (puesta de
sol) con el Oeste, a las 18:00 horas, con una duración total de 12 horas.
Otro dato fundamental es que al mediodía (12:00 h. solar) el sol se halla
Laura Enríquez Barcia Página 6 Los recorridos solares diurnos son arcos de círculo perfectos, cuyo eje
coincide con el de la tierra. El sol recorre 360º en 24 horas, correspondiendo a
cada hora un ángulo horario w =15º. Se
considera como mediodía, o las 12:00
hora solar, el instante en que el sol
pasa sobre el S. Los equinoccios son
los únicos días que el recorrido diurno
es de 12 horas exactas.
Como ejemplo para Galicia, con una
latitud de 43º aprox, el 21 de marzo y
septiembre al mediodía la altura del sol será A = 90 – 43 = 47º.
1.7. Solsticio de Verano
El recorrido solar del 21 de junio se caracteriza porque al mediodía (12:00
hora solar), cuando el sol se halla sobre el Sur, se forma con el Cenit un
ángulo igual a la Latitud j menos la declinación (d = + 23,5º), de manera que
se puede calcular la altura solar como A = 90 - j + 23,5º.
Como ejemplo para Galicia, con una latitud de 43ºN, el 21 de junio al
mediodía la altura del sol será A = 90 - 43 + 23,5 = 70,5º, casi en el cenit.
El recorrido solar diurno es un arco
de círculo paralelo al recorrido
equinoccial, que al estar más levantado
sobre el horizonte provoca que el día
dure más de 12 horas. En el caso de
Laura Enríquez Barcia Página 7 Por último, el azimut del Orto (Amanecer) se produce entre el Este y
el Noreste, exactamente a Z=118º E, y el azimut del Ocaso (puesta de sol) se
produce mas allá del oeste, a Z=118º W.
1.8. Solsticio de Invierno
El recorrido solar del 21 de diciembre se caracteriza porque
al mediodía (12:00 hora solar), cuando el sol se halla sobre el Sur, se forma
con el Cenit un ángulo igual a la Latitud j + la declinación (d = - 23,5º), de
manera que se puede calcular
la altura solar como A = 90 - j -
23,5º. Como ejemplo para Galicia,
con una latitud de 43º N, el 21 de
diciembre al mediodía la altura del
sol será A = 90 - 43 - 23,5 = 23,5º,
más cerca del horizonte que del cenit.
El recorrido solar diurno es un arco de círculo paralelo al recorrido
equinoccial, pero más próximo al horizonte, provocando que el día dure
menos de 12 horas, que en el caso
de Galicia el día no llega a durar 10
horas.
Por último, el azimut del
Orto (Amanecer) se produce entre
el Este y el Sudeste, exactamente a Z
= 62º E, y el azimut del Ocaso (puesta
de sol) se produce antes del Oeste, a
Z = 62º W.
1.9. Posicionamiento solar
El tiempo transcurrido entre
el orto (amanecer) y el ocaso
(anochecer) son las horas solares teóricas.
Estas horas dependerán del
lugar en el que estamos (debido
Laura Enríquez Barcia Página 8 de la época del año, las horas solares serán + o-).
Cuando ocurre el amanecer y el anochecer, en ese instante la altura solar es
0, mientras que el azimut es de -90º (amanecer) y de 90º (anochecer).
1.10. Hora solar
La órbita descrita por el Sol en su trayectoria alrededor de la Tierra no es
circular, sino que es elíptica. Por eso el tiempo que transcurre entre que el Sol
incide dos veces sobre un mismo lugar, no son 24 horas exactamente (sufre
fluctuaciones a lo largo del año)
La hora civil, debe ser uniforme y debe estar establecida de forma fija y exacta (pero no es la hora solar).
Para las instalaciones solares debemos conocer el medio día solar para
colocar las placas con una inclinación de optimización de la Energía Solar.
1.11. Hora solar y hora verdadera
Cuando el Sol alcanza su punto más alto, que es cuando cruza el
meridiano del lugar, es mediodía.
Se define el día solar verdadero como el intervalo de tiempo transcurrido entre dos pasos consecutivos del Sol por el meridiano del lugar o dos
mediodías consecutivos.
En distintas épocas del año, se comprueba que los días así definidos no
tienen todos la misma duración.
(En los meses de la mitad del año, la duración del día es muy cercana a 24 horas, pero alrededor del 15 de Septiembre, los días son de 23 horas, 59 minutos y 40 segundos, mientras que cerca de la Navidad los días son de 24 horas y 20 segundos de duración, es decir, en los solsticios varía)
Los días solares verdaderos se dividen en 24 horas verdaderas y nuestro
reloj de sol nos marca la hora solar verdadera.
El llamado día solar medio es el promedio entre todos los días verdaderos. (A pesar de no ser real, es más práctico medir el tiempo utilizando el día solar medio cuya duración es siempre la misma, 24 horas).
Aunque las variaciones en la duración de los días solares y los días medios
son pequeñas, su acumulación produce diferencias notables entre la hora solar
Laura Enríquez Barcia Página 9 Estas diferencias alcanzan un máximo de poco más de 14 minutos a mediados de febrero (cuando la hora solar verdadera va retrasada respecto a la hora solar media) y poco más de 16 minutos al principio de noviembre (cuando la hora solar verdadera va adelantada respecto a la hora solar media). Existen también otras dos variaciones menores a mediados de mayo (cuando la hora solar verdadera va adelantada aproximadamente 4 minutos) y
a finales de julio (cuando la hora solar verdadera va atrasada un poco más de 6 minutos).
La llamada ecuación del tiempo se define formalmente como la diferencia entre la hora solar media y la hora solar verdadera.
1.12. Ecuación del tiempo
1.13. Husos horarios y hora local
Todos los lugares de la misma longitud geográfica tienen el mismo tiempo
solar medio. En cambio, en dos lugares con diferente longitud la hora solar
media será distinta, hacia el Este la hora se va adelantando y, por el contrario,
en la dirección Oeste se va retrasando. En la vida cotidiana también resultaría
incomodo usar la hora solar media, deberíamos atrasar o adelantar los relojes
Laura Enríquez Barcia Página 10 Para evitar ese inconveniente, se ha introducido lo que se denominan husos horarios, resultantes de dividir la Tierra en 24 zonas de 15°, lo que equivale a una hora de tiempo, y que van del Polo Norte al Polo Sur.
Dentro de cada huso rige la misma hora, la correspondiente al meridiano
central del huso horario correspondiente.
Las líneas divisorias de los husos no son meridianos exactamente, sino que
se adaptan a las fronteras de cada país, para que pueblos de una misma nación no tengan hora diferente.
La hora legal se rige por el meridiano central del huso horario correspondiente. En España (península y Baleares) el meridiano central de
nuestro huso es el meridiano 0° ó de Greenwich.
Para pasar de la hora legal a la hora solar media habrá que determinar en
grados la diferencia en tiempo entre la longitud del meridiano central del huso y
la del lugar en cuestión y multiplicarla por cuatro (a cada º de longitud le
corresponde una diferencia de 4´,
(24x60 minutos / 360 grados = 4 minutos/grado).
Ejemplo Comprueba en España a hora solar con la hora Legal:
Mira la longitud de un lugar:
http://www.educaplus.org/play-280-Latitud-y-longitud.html
España (Galicia):
Meridiano de referencia: 0º
Longitud 8,1ºO = 8º 1´
Diferencia en tiempo entre la longitud del meridiano central del huso y la del lugar en cuestión: 0 – 8,1= -8,1 x 4 = -32,4´
1.14. La hora oficial
Para aprovechar al máximo las horas de luz solar y así ahorrar energía, en
muchos países se adelantó la hora. Esta, que es la que utilizamos
habitualmente, se denomina hora oficial.
En España la hora oficial lleva un adelanto de una hora en invierno sobre
la hora legal, el último domingo de marzo a las 2 de la madrugada se
adelantan los relojes 1 hora, con lo cual el adelanto es de 2 horas, hora ésta
que se recupera el último domingo de Octubre (a las 3 de la madrugada se
Laura Enríquez Barcia Página 11 1.15. Resumen
Opción 1:
Hora oficial = hora solar verdadera (la que marca reloj de sol) + Ecuación
del tiempo (h) + (longitud lugar* - longitud meridiano central del huso*)+ (2 horas de abril a octubre ó 1 el resto del año)
(*) En horas, y negativas si son longitud este. Opción 2:
Hora oficial = hora solar verdadera (reloj de sol) + ecuación del
tiempo (h) + [(longitud lugar (º) - longitud meridiano central del huso (º))] x
4 (minutos) x (1h/60´)+ (2 horas de abril a octubre ó 1 el resto del año)
(*) En grados, y negativa si es longitud este.
Es decir:
Laura Enríquez Barcia Página 12 2. Conversión de la energía solar. Energía incidente sobre una superficie
plana inclinada
2.1. Aprovechamientos técnicos
El aprovechamiento de la Energía Solar puede ser directo o indirecto:
Conversión directa: Aquel proceso en el que solo hay una etapa.
Conversión indirecta: Aquella que procesa más de 2 etapas para obtener
la Energía del la forma aprovechable.
La energía solar se puede convertir en E. térmica o eléctrica de forma directa.
De forma indirecta, puede producir E. útil a través de procesos intermedios. Ejemplo: viento (E. eólica)
Conversión directa a Energía Térmica
Cuando la radiación llega a un cuerpo/superficie la E. incidente se
transforma en E. térmica, ya que, el cuerpo eleva su tª.
La variación de tª que soporta el cuerpo en cuestión dependerá de la
intensidad de E. que esté recibiendo y de las características intrínsecas del
propio cuerpo.
Conversión directa a Energía Térmica
Cuanto más reflectante sea la superficie del cuerpo menos E. absorberá
(menor capacidad de conversión de E. solar en térmica). Un cuerpo es…
Oscuro: Ya que su superficie absorbe la E. solar y no irradia luz visible (por
eso se ve negro)
Laura Enríquez Barcia Página 13 (Si ponemos 2 objetos, uno negro y otro blanco, bajo radiación solar igual, veríamos que el negro alcanzaría mayor tª)
Así es que, nace el captador solar para la obtención de E. térmica. Su
superficie está pintada de negro, y tiene una alta conductividad térmica, para
que pueda ser transmitida a donde interese.
La eficacia (Rendimiento) se puede optimizar mediante técnicas basadas en
efectos físicos (P. ej. Efecto invernadero). Mediante una cubierta se consigue
que la E. que se desprende se refleje parte de nuevo hacia el captador y
aumente la eficacia. Otro sistema…
Apoyo en espejos o sistemas curvos para elevar la intensidad de la radiación
recibida de modo que se logren alcanzar tª altas. Estos sistemas necesitan una
Laura Enríquez Barcia Página 14 3. Orientación e Inclinación óptima anual, estacional y diaria
3.1. Radiación solar: tipos y forma de incidencia sobre la superficie
terrestre
Para la E. solar, la incidencia de la irradiación en cuanto a dirección,
inclinación y cantidad de E. recibida en la superficie es de vital importancia.
Gracias a su conocimiento se puede estudiar el rendimiento de una placa y
buscar su mejor colocación.
La E. irradiada por el Sol llega hasta la superficie terrestre por 2 medios:
Directo e indirecto:
Irradiación Solar Directa: Es aquella que llega a la superficie terrestre
directa desde la dirección del Sol.
Irradiación Solar difusa: Es la que la trayectoria se ha visto modificada por
diversas circunstancias (densidad atmosférica, partículas flotantes en la atmósfera, reemisiones de cuerpos,…). Esta puede incidir desde cualquier
dirección.
Por lo que la suma de las 2
anteriores (directa + difusa) aglutina la
radiación total que llega a la
superficie.
La radiación incidente es variable,
dependiendo del día del año, debido a
la inclinación del eje terrestre y por la distancia al Sol, además de variar según
la hora exacta del día. Todo ello se debe al
ángulo de incidencia de los rayos solares con la superficie.
Debido a la distancia entre la Tierra y el Sol
la inclinación de los rayos solares y la
incidencia de ellos se podrían estimar como
que serán paralelos a la superficie, pero en
cada punto existe un ángulo específico para
cada situación entre la normal de la superficie
Laura Enríquez Barcia Página 15 Visto que el Sol incide con una
inclinación determinada en función de la
época del año y de la localización de
nuestra placa lo primero que debemos de
pensar en qué momento la pretendemos “usar” (Calentar agua en invierno/verano)
Si por ejemplo, se pretende instalar en
una zona donde la radiación en verano es
más que suficiente (p.ej. Sur), lo más
habitual es dar una inclinación favorable a
los rayos en invierno, aunque quede
desfavorecida en verano ya que tendrá
aún así de sobra.
3.2. Orientación
Se sabe que el Sol aparece por el Este y se pone por el Oeste y que la
orientación más adecuada para recibir la radiación solar es la SUR (En el
hemisferio Norte)
Con esta orientación la recepción de radiación es plena (en su defecto
podemos girarlo unos grados al Oeste).
Si los captadores los colocáramos en el H. Sur, la orientación óptima sería la
Norte, debido a que la desviación del eje de la Tierra respecto al Sol es
Laura Enríquez Barcia Página 16 3.3. Inclinación
El efecto de la inclinación del captador se ve afectado por el ángulo de
incidencia de los rayos solares, ya que a medio día los rayos solares son más
perpendiculares.
El ángulo va cambiando a lo largo del día, la estación, momento del año y
situación en que se encuentre la Tierra respecto al Sol.
3.4. Inclinación solar solsticios
Para conocer la conocer la inclinación óptima, se debe de conocer la altura
solar al medio día, para así conocer con qué ángulo inciden los rayos solares:
mediodía (solsticios) = 90º - latitud lugar 23,45º (0,26 d)
23,45 (solsticios): Si nuestra referencia anterior es solsticio verano (+23,5º) y
si es el solsticio de invierno (- 23,5).
0,26xd: Será (+) cuando el sol vaya ascendiendo (en dirección (invierno
verano) y (-) cuando vaya descendiendo (verano invierno)
d: nº de días transcurridos desde solsticio o equinoccio que pasamos al
momento en que estemos. El signo de 0,26xd dependerá de a dónde se dirija
Laura Enríquez Barcia Página 17 De forma general, podemos afirmar que la inclinación óptima son 45º (En España), ya que la inclinación óptima para usos de todo el año debe ser igual a
la latitud.
Existen 2 alternativas dependiendo del uso, es decir, la inclinación óptima para el verano es la latitud del lugar – 10º, mientras que si lo que queremos es
máximo rendimiento en invierno la inclinación debe ser latitud + 10º.
3.5. Límites pérdidas
La orientación e inclinación del sistema de captación y las posibles sombras sobre el mismo serán tales que las pérdidas respecto al óptimo, sean inferiores a los límites de la tabla expuesta:
3.6. Pérdidas por orientación e inclinación
Debido a la orientación e inclinación del colector hay un gráfico, que se
muestra a continuación, en el que se pueden calcular ciertas pérdidas de
rendimiento.
Este gráfico nos dirá entre qué inclinaciones poner nuestro captador para
Laura Enríquez Barcia Página 18
Ya tenemos para nuestro captador que está orientado 30º hacia el Este con
respecto al Sur (: -30º) y queremos garantizar un 10% de pérdidas máximas, lo siguiente:
Ahora buscaremos los puntos donde se cortan la región con la recta…
Pero OJO!! De este gráfico se obtienen los datos para una latitud 41º (de
referencia), si la latitud de nuestro captador es otra, debemos corregir los datos
de min y max que hemos obtenido de este gráfico.
Por ejemplo: Si los datos obtenidos son:
min: 3º y max : 53º para latitud 41º
Para un lugar que tenga una latitud de : 37 será:
min: min(gráfico) – (41º-latitud) = 3º-(41-37º)=3-4=-1º (en el caso de que
nos dé negativo, pondremos el límite anterior, es decir 3º)
max: max (gráfico) – (41-37º) = 53 – (41-37)=53-4=49º
Conclusión: En este lugar nuestro captador deberá ir inclinado de entre 3º y 49º para que las pérdidas por sobras no superen el 10%
En el caso de que el colector ya esté instalado y queramos comprobar si
existen pérdidas inferiores a un % o bien, si hubiéramos obtenido los límites de
inclinación y nos encontremos muy próximos a estos podríamos comprobar que
se ajustan a los límites se pueden aplicar estas fórmulas (CTE):
Pérdidas (%) = 100 × [1,2 × 10–4 ( – opt)2 + 3,5 × 10–5 2] para 15° < < 90°
Pérdidas (%) = 100 × [1,2 × 10–4 ( – opt)2] para 15°
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: Inclinación del captador
opt: Inclinación óptima= Latitud +10
Laura Enríquez Barcia Página 20 4. Radiación Solar y Métodos de Cálculo
4.1. Radiación solar: el sol
El sol es una estrella, es la más cercana a la Tierra y es el elemento más
grande de la Vía láctea.
Las estrellas son los únicos elementos capaces de emitir luz propia y es por
ello que el Sol es la fuente de luz de la Tierra, además de ser fuente de Energía
Calorífica.
El Sol se formó hace 4.500 millones de años y lo hizo siguiendo el mismo
proceso con el que se irá destruyendo. Fue poco a poco adquiriendo masa y
energía, y aún continúa creciendo hasta que se convierta en lo que llaman “Gigante Rojo”, punto a partir del cual irá perdiendo energía y se irá apagando
lentamente, pero se calcula que le quedan unos 5.000 millones de años hasta
alcanzar su máximo y cuando se comience a enfriar el proceso puede durar un
trillón de años.
El Sol se asemeja a la Tierra en cuanto que está formado por capas , a la
capa exterior le llamamos fotosfera y puede alcanzar una tª de 6.000ºC.
La Energía que proviene del Sol se produce por agrupación de protones de
hidrógeno para formar Helio, y en dicha reacción se liberan grandes cantidades
de Energía.
Todo esto se realiza en el centro del Sol con un ambiente de altas presiones
y tª de hasta 15.000ºC.
De toda la Energía emitida por el Sol, solo una parte pequeña es la que llega
hasta la superficie terrestre.
4.2. La energía solar
La Energía solar que se disipa al espacio exterior es de unos 3,87x1026 W.
De toda esta Energía la cantidad que llega a la Tierra es de unos 173.000
TW, lo que equivale a 4.500 veces la Energía que el hombre consumo.
Se trata de una Energía Renovable, fija a lo largo del tempo, limpia, pero no
es concentrada (está distribuida y precisa de una captación con superficies de
muchos metros cuadrados y durante muchas horas de exposición)
La Luz emitida por el Sol lo hace en un amplio rango de longitudes de
onda, aunque la mayoría de ella lo hace desde los 0,3 m hasta los 3 m y, de
Laura Enríquez Barcia Página 21 respectivas a la luz visible y por tanto a la luz que puede ser captada por el ojo
humano.
Aunque la luz no visible no es
percibida por el ojo humano, se
debe de tener en cuenta.
La radiación neta que recibe
la tierra es la suma de todas las
radiaciones de onda corta que
inciden y se reflejan y además
de las de onda larga infrarrojas
incidentes y salientes
4.3. Constante solar
La E del Sol se recibe de forma dispersa y en todas las direcciones.
La intensidad de esta Energía será mayor cuanto más cerca del Sol
estemos.
Existe una relación directa entre la energía y la superficie de la Tierra:
I = P / S
Siendo:
P: Potencia emitida por el Sol (3,87 x 1026 )
S: Superficie de la esfera terrestre (4 R2); R será la distancia media que existe entre la Tierra y el Sol (1,5 x 1011metros)
Sustituimos:
I = 4 x 1026 / 4 x x (1,5 x 1011)2 I = 1,4 x 103 = 1,4 Kw / m2
Este valor es un valor medio, ya que este varía dependiendo la época del
año.
Los satélites situados en la atmósfera, nos dan un valor de esta intensidad
de energía que llega a la tierra, llamada
Laura Enríquez Barcia Página 22 Hasta aquí, vimos le E. que llega hasta la superficie de la atmósfera, pero
hasta la superficie terrestre no llega toda esta energía, ya que, parte de esta se
REFLEJA, se DISPERSA y se DISTRIBUYE
Laura Enríquez Barcia Página 23 reduce a un valor de 170 W/m2, (media de la radiación solar recibida en todo el
mundo.
Pero… ¿Cómo podemos conocer la constante solar para un día determinado?
I = 1353 x [1 + 0,033 x cos (0,973 x N)] Siendo:
N: Nº de día del año (1 es el 1 de Enero y 31 Diciembre el N= 365)
4.5. Espectro solar
Irradiación (E): Cantidad de Energía radiante que llega a una superficie determinada en un tiempo concreto (Energía que incide
sobre una superficie). Se expresa en Julios (J). E = I x S x t
Intensidad Radiante / Irradiancia (I): Energía incidente por unidad de superficie y tiempo. (W/m2) I = E / S x t
La Energía que recibe una superficie depende de:
- La radiación que llega del Sol
- Del ángulo de incidencia que tenga la superficie.
I´ = I x cos
I: Intensidad directa sobre superficie horizontal
I´: Intensidad directa sobre superficie inclinada
: Ángulo de inclinación sobre superficie horizontal
Conclusión: En las horas centrales del día se recibirá mayor energía que en el amanecer o anochecer, ya que el ángulo de incidencia es perpendicular (cos =1)
4.6. ¿Se puede medir esta energía incidente?
Si, el piranómetro es un medidor de la
irradiación total que se recibe en una
superficie en un número de días. Este aparato
detecta la intensidad de la radiación en cada
instante y, con un ordenador, se puede
extraer los datos que recoge y almacenarlos
Podremos encontrar datos de Radiación en
Laura Enríquez Barcia Página 24 5. Cálculo Sombreamiento externos y entre captadores. Método de
cálculo F-Chart y dinámico 5.1. Sombreamiento externo
Cuando se decide colocar una instalación solar térmica hay dos cosas
importantes por la que tenemos que empezar:
1. Realizar un estudio de la cantidad de agua caliente (mediante
paneles) que necesitan los usuarios
2. Estudiar el lugar de colocación de nuestros paneles
(Puede ocurrir que el sitio donde podemos colocarlos no es el idóneo, con lo cual, la inversión no sería rentable)
Para saber el nº de paneles a colocar necesitamos calcular la Energía real
que se recibe en ese lugar concreto, teniendo en cuenta la sombra que afecte a
esos paneles a lo largo del día.
Para el cálculo del sombreamiento hay que tener claros los siguientes
conceptos:
• Acimut solar: Es la desviación del Sol con respecto al Sur desde el punto
de vista del observador.
• Acimut del módulo: Desviación del módulo respecto al Sur
• Altura Solar: Es el ángulo que forma el Sol con respecto al horizonte
desde el punto de vista del observador.
• Acimut solar: Es la desviación del Sol con respecto al Sur desde el punto
de vista del observador. • Acimut del módulo
(Y): Desviación del
módulo respecto al
Sur
• Altura Solar (X): Es
el ángulo que forma
el Sol con respecto
al horizonte desde el
punto de vista del
Laura Enríquez Barcia Página 25 Para el cálculo de un sombreamiento, debemos conocer la latitud donde se
pretende colocar el colector.
5.2. Sombreamiento entre colectores
Si tenemos una instalación formada por varios colectores, debemos saber
averiguar la distancia a la que tenemos que ponerlos para que no se sombreen.
Laura Enríquez Barcia Página 26 del día y año en que se considere (este cálculo se realizará para el mediodía
solar y los momentos críticos del año).
¿Qué distancia mínima tenemos que dejar entre las 2 filas de captadores?
En equipos de utilización todo el año en Hemisferio Norte (para ACS) el día
más desfavorable corresponde con el 21 de Diciembre. En este día la altura
solar mínima al mediodía solar tiene un valor de:
min = 90º - latitud lugar – 23,45
Para equipos de utilización solo en verano (piscinas) el día más
desfavorable será el 21 de Marzo o Septiembre; en este caso la altura solar:
min = 90º - latitud del lugar
Dmín, la calcularemos siguiente la siguiente fórmula…
Dmín = B x cos + (B x sen / tan min)
5.3. Pérdidas por sombreamiento y bloqueos
En este caso, la instalación que tenemos puede tener obstáculos que le producen sombreamiento, con lo cual debemos de poder evaluar esas pérdidas que nos produce ese objeto para saber finalmente si la instalación nos
Laura Enríquez Barcia Página 27 Se pueden dar infinitos casos, pero todos se reducen a realizar supuestos geométricos y cálculos matemáticos…
Lo primero que debemos calcular es el siguiente ángulo A…
Después debemos calcular los ángulos que se forman horizontalmente entre los extremos del obstáculo y la placa (B1 y B2)…
Laura Enríquez Barcia Página 28 Y por último, para el cálculo de ángulos y distancias, se deben de calcular
los valores de c…
Y…todos estos cálculos son para ahora acudir al gráfico de pérdidas por sombreamiento y ver en qué casillas hay intercepción y sacar de ahí el valor de
la pérdida…
El panel se debe situar como si estuviese en el centro (acimut 0) y a partir de ahí colocar:
A: En el centro del gráfico a la altura que indique su valor.
B1 y B2: Desde el centro cada uno hacia un lado con los valores que tengan sobre el ángulo del azimut y siguiendo las líneas que marcan la vertical
Laura Enríquez Barcia Página 29 Una vez que se tiene la gráfica y la intercepción, se conocen las pérdidas, se
Laura Enríquez Barcia Página 30 Una vez obtenidos los valores se debe acudir a la tabla correspondiente al % de pérdidas según el área de sombra que más se adecúe a la situación de la
placa (en cuanto a inclinación y acimut) A1 y A2: 100 % de cobertura
Laura Enríquez Barcia Página 31 6. Efecto invernadero en un colector
6.1. Transmisión de Energía
¿Cómo se transmite la Energía de un elemento a otro? ¿Conoces alguna forma de transmisión de energía?
RADIACIÓN: El calor de una fuente de Energía calorífica se transmite
mediante ondas que viajan en línea recta y no necesitan ningún medio material.
Esta es la forma de energía por la que la energía del Sol llega hasta
CONDUCCIÓN: Se necesita el contacto físico entre 2 materiales para que
exista transmisión de Energía y además una diferencia de tª. El cuerpo que
esté a menor tª absorberá calor del que esté a mayor tª hasta que se igualen,
momento en el que se alcanza el equilibro térmico.
La rapidez con la que produzca esta transmisión será directamente de la
diferencia de tª entre ambos y el área de contacto.
CONVECCIÓN: Este tipo de transmisión de calor es característico de fluidos,
y se usa como medio de transporte un fluido para llevar la energía de un lugar
con más tª a otro de menos tª. Es un proceso en el que intervienen
simultáneamente los 2 fenómenos vistos anteriormente. La transmisión de
calor por convección depende de:
- Que la superficie de contacto sea más o menos plana - La velocidad del fluido - Naturaleza del fluido - Características físicas - Inclinación de la superficie - Si hay evaporación,
condensación o formación de películas
6.2. Colector solar
Función: Es la de transformar la
Energía incidente del Sol en Energía
calorífica en un fluido, al hacer pasar el
fluido a través de sus conductos que se
encuentran a una tª superior a la de este.
Características que debe reunir un
Captador
Laura Enríquez Barcia Página 32 (nieve, granizo,…)
- Resistente a tª altas y bajas
- Larga vida útil, de varias décadas
- Estable y duradero
- Fácil de montar
- Eficiente en conversión de energía
6.3. Colector solar (elementos)
6.4. Efecto invernadero
Cuando una radiación incide sobre un cuerpo pueden darse varias
situaciones:
1. Que la radiación sea absorbida total o parcialmente por la materia en sí.
2. Que la radiación se refleje
3. Que la radiación atraviese el cuerpo sin más.
Algunos cuerpos son transparentes sólo para ciertas zonas del espectro
electromagnético pero resultan opacos para otras.
El funcionamiento de un captador Solar Térmico se basa en 2 propiedades
de algunos materiales:
SELECTIVIDAD TRANSMISIVA: Esta propiedad la tienen ciertos materiales
como vidrios y plásticos transparentes con altos valores de transmitancia en
longitudes de onda cortas de la radiación solar (0,2-0,3 m), y al mismo tiempo
baja transmitancia en longitudes de onda larga (10-14 m) en las que emiten
los cuerpos a las tª de la placa absorbedora.
Un buen captador solar debe aceptar el máximo posible de la radiación solar
Laura Enríquez Barcia Página 33 la menor posible y dejar salir la menor posible (transmitancia baja en onda
larga)
SELECTIVIDAD ABSORCIÓN – EMISIÓN: Consiste en un valor alto de la
absorbancia en las longitudes de onda corta de la radiación solar (entre 0,2 y
0,3 m) que incide sobre el captador y un bajo valor de la emisividad en las
