MOVIMIENTO SOLAR

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Medir la energía proveniente del Sol se considera necesario para:

a) Estudiar el impacto que los cambios en los niveles de radiación debido a las variaciones periódicas o anómalas tienen sobre las condiciones climáticas (variaciones en la nubosidad, en la cantidad de partículas en suspensión en la atmósfera y en el agua que se puede precipitar, se verían inmediatamente reflejadas en la radiación medida).

b) Determinar la influencia que la radiación solar a nivel de superficie tiene en el rendimiento de cosechas.

c) Evaluar la evapotranspiración¹ potencial del suelo y determinar así su estado hídrico (agua disponible y necesidad de riego).

d) Planificar el secado de productos vegetales con mayor eficiencia. [7]

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El valor de la declinación toma ciertos valores característicos que definen las estaciones y sus fechas de transición. En los equinoccios la declinación es nula, de forma que el Sol amanece y anochece exactamente por el Este y Oeste, respectivamente, siendo equivalentes la duración de día y noche. En el solsticio de junio (21-22 junio, día del año 172-173) la declinación toma el valor d = 23,45°. En el hemisferio Norte es llamado de verano, produciéndose aquí el día más largo del año con el Sol amaneciendo por el noreste y anocheciendo por el noroeste. En el solsticio de Diciembre (21-22 diciembre, día del año 355-356) la declinación toma el valor d = -23,45°. En el hemisferio Norte este solsticio es denominado de invierno, ocurriendo el día más corto, con el Sol amaneciendo por el sureste y anocheciendo por el suroeste. [8]

Fig. 3.6. Movimiento del sol en el hemisferio norte.

La Fig. 3.6 muestra una superficie situada en el hemisferio norte, donde el Sol sigue una trayectoria Este-Sur-Oeste. Si pretendemos maximizar la captación de energía solar, la superficie tendrá que estar orientada hacia el Sur y por lo tanto el ángulo de acimut (α) debe ser nulo. El acimut óptimo para que una superficie fija reciba la mayor cantidad posible de energía solar debe ser cero (α = 0º), la superficie se debe orientar hacia el Sur si está situada en el hemisferio norte o hacia el Norte si está en el hemisferio sur. [9]

Página 43 de 596 3.3. MASA DE AIRE

El Sol tiene una temperatura superficial de 5762 K (5489 ℃) y su espectro de radiación puede ser aproximado por un cuerpo negro a esa temperatura. La emisión de radiación del Sol, al igual que la del cuerpo negro, es isotrópica². Sin embargo, la gran distancia entre la Tierra y el Sol (aproximadamente 149,6 millones de kilómetros) significa que sólo los fotones emitidos directamente en la dirección de la Tierra, contribuyen al espectro solar observado desde la Tierra.

Por lo tanto, para propósitos prácticos, la luz recibida en la Tierra puede considerarse como corrientes paralelas de fotones. Justo por encima de la atmósfera terrestre, la intensidad de la radiación solar, o constante solar, es aproximadamente 1353 [𝑘𝑊 𝑚⁄ ²] y la distribución espectral se conoce como un espectro de radiación de masa de aire cero (MA0). La masa de aire (MA) es una medida de cómo la absorción en la atmósfera afecta el contenido espectral y la intensidad de la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra. [10]

Fig. 3.7. Densidad espectral de energía. AM del inglés Air Mass.

El índice de masa de aire se calcula de la siguiente manera:

2 Característica de algunos cuerpos cuyas propiedades físicas no dependen de la dirección en que son examinadas.

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𝑀𝐴 = 𝑃

𝑃₀∙ sen(ℎ) Donde:

𝑃: presión atmosférica medido en el punto e instante considerado.

𝑃₀: presión de referencia a nivel del mar.

ℎ: ángulo cenital, es decir, el ángulo de elevación del Sol sobre el horizonte local en el instante considerado. Este se puede ver en la Fig. 3.8.

Fuera de la atmósfera 𝑃 = 0, por lo tanto, 𝑀𝐴 = 0 (MA0). [4]

Fig. 3.8. Cálculo de la masa de aire. AM del inglés Air Mass.

Otras bibliografías desprecian los valores de presión y denominan a la masa de aire como:

𝑀𝐴 = 1 cos(𝜃) Donde 𝜃 = 90° − ℎ.

Página 45 de 596 3.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El componente elemental de un generador FV es la célula fotovoltaica, donde se lleva a cabo la conversión de la radiación solar a corriente eléctrica. La célula está compuesta por una delgada capa de material semiconductor, normalmente silicio tratado, con un grosor de alrededor de 0,3 𝑚𝑚 y una superficie de 100 a 225 [𝑐𝑚²].

El silicio, con cuatro electrones de valencia (tetravalente), se “dopa” con átomos trivalentes (p.

ej. boro – dopaje Positivo) en una capa y cierto número de átomos pentavalentes (p. ej. fósforo – dopaje Negativo) en la otra (Fig. 3.9). La región tipo P tiene exceso de huecos, mientras que la de tipo N tiene exceso de electrones.

Fig. 3.9. Silicio dopado.

En el área de contacto entre las dos capas con diferente dopaje (unión P-N), los electrones tienden a desplazarse desde la mitad con exceso de electrones (N) hacia la mitad con déficit de electrones (P), generando así una acumulación de carga negativa en la región P. Para los huecos

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de electrones ocurre un fenómeno equivalente, con acumulación de carga positiva en la región N.

De esta forma se crea un campo eléctrico en la unión que se opone a la difusión de cargas eléctricas.

Para que una celda produzca electricidad se debe llevar a cabo el efecto fotovoltaico. Este fenómeno tiene lugar cuando un electrón de la banda de valencia de un material, normalmente un semiconductor, es liberado a la banda de conducción al absorber un fotón con la suficiente energía.

De hecho, tanto en los materiales semiconductores como en los aislantes los electrones no pueden moverse libremente. Sin embargo, al comparar los materiales semiconductores con los aislantes la banda prohibida de energía entre la banda de valencia y la de conducción es pequeña, de manera que los electrones pueden alcanzar la banda de conducción fácilmente cuando captan energía del exterior.

Cuando se expone la célula a la luz, a causa del efecto fotovoltaico,se crean algunos pares electrón-hueco tanto en la región N como en la P. El campo eléctrico interno hace que el exceso de electrones (resultado de la absorción de fotones por parte del material) se separe de los huecos y los impulsa en direcciones opuestas. Como consecuencia, una vez que los electrones han superado la región de agotamiento no pueden regresar ya que el campo evita el flujo en la dirección inversa. Al conectar la unión a un conductor externo se obtiene un circuito cerrado, en el que la corriente fluye de la capa P, con un potencial mayor, a la capa N, con un potencial menor, siempre que la célula esté iluminada (Fig. 3.10).

Fig. 3.10. Funcionamiento de una célula fotovoltaica.

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La región del silicio que interviene en el suministro de corriente es la que rodea la unión P-N;

las cargas eléctricas también se forman en las regiones lejanas, pero no está presente el campo eléctrico que provoca su movimiento y por tanto se recombinan. Por ello es importante que la célula FV posea una gran superficie: a mayor superficie, mayor es la intensidad generada. [4]

Fig. 3.11. Efecto fotovoltaico.

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