Energia Solar

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y ENERGETICA
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA

PROCESOS TERMOSOLARES EN BAJA, MEDIA Y ALTA TEMPERATURA

Pedro Fernández Díez

I.- RADIACIÓN SOLAR EN LA SUPERFICIE TERRESTRE

I.1.- LA CONSTANTE SOLAR Desde el punto de vista energético, la masa solar que por segundo se irradia al espacio en forma de partículas de alta energía y de radiación electromagnética esaproximadamente de 5,6 .10 35 GeV y de élla, la Tierra recibe en el exterior de su atmósfera un total de 1,73.10 14 kW, o sea 1,353 kW/m2, que se conoce como constante solar y cuyo valor fluctúa en un ±3% debido a la variación periódica de la distancia entre la Tierra y el Sol. La atmósfera y la superficie terrestre se encuentran a temperaturas medias distintas y, por lo tanto, también radíanenergía; así, la longitud de onda de la radiación solar está comprendida entre, 0,05 µm y 4 µm, mientras que la radiación terrestre lo está entre 3 µm y 80 µm, es decir, se trata de emisiones de onda larga. Los 1,73 .10 14 kW de energía solar que inciden sobre la Tierra, se reparten en la siguiente forma, Energía solar reflejada por la atmósfera hacia el espacio exterior, 30%, 0,52.1014 kW Energíasolar que se utiliza en calentar la atmósfera, 47%, 0,80.1014 kW Energía solar que se utiliza en la evaporación de los océanos, 23% , 0,40.1014 kW Energía solar que se utiliza en generar perturbaciones atmosféricas, como el viento, (energía mecánica), 0,0037 .1014 kW Energía solar utilizada en la fotosíntesis, 0,0004.1014 kW. De todo lo anterior, sólo el 47% de la energía solar incidente alcanza lasuperficie terrestre, de forma que el 31% lo hace directamente y el otro 16% después de ser difundida por el polvo, vapor de agua y moléculas de aire. El 53% de la energía restante no alcanza la superficie de la Tierra, ya que un 2% es absorbida por la estratosfera, principalmente por el ozono, el 15% por la troposfera, (agua, ozono y nubes), en total 2 + 15 = 17% y por otra parte, un 23% esreflejada por las nubes, un 7% es reflejada por el suelo y el 6% restante corresponde a aquella energía difundida por la atmósfera que se dirige hacia el cielo, Figs I.1.2.
Solar I.-1

Fig I.1.- Balance de radiación solar

Fig I.2.- Balance de radiación terrestre

I.2.- DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE LA RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE El Sol se puede considerar como un gigantesco reactor de fusiónnuclear, constituido por diferentes gases que se encuentran retenidos en el mismo por fuerzas gravitatorias. La energía en forma de radiación electromagnética, resultado de las reacciones de fusión que tienen lugar en él, fundamentalmente en el núcleo, debe ser transferida a la superficie exterior para, desde allí, ser radiada al espacio; en este proceso de transferencia aparecen fenómenosconvectivos y radiativos,
Solar I.-2

así como sucesivas capas de gases, dando lugar a un espectro de emisión continuo. A pesar de la compleja estructura del Sol, para las aplicaciones de los procesos térmicos derivados del mismo, se puede adoptar un modelo mucho más simplificado. Así, se puede considerar al Sol como un cuerpo negro que radía energía a la temperatura de 5.762°K, ya que la distribuciónde energía para cada longitud de onda aprovechable por los procesos térmicos y fototérmicos, es básicamente la misma que la de dicho cuerpo negro. Para otros procesos que dependen de la longitud de onda y en los que, la distribución espectral es un factor importante, por ejemplo en los procesos fotovoltaicos o fotoquímicos, pueden resultar necesarias consideraciones más detalladas. La Tierra, ensu movimiento alrededor del Sol, describe una órbita elíptica, de escasa excentricidad, de forma que la distancia entre el Sol y la Tierra varía aproximadamente un ± 3%. La distancia media Tierra-Sol es, d = 149 millones de Km En el solsticio de verano, la Tierra está alejada una distancia del Sol máxima, dmáx = 1,017 d En el solsticio de invierno, la Tierra se halla a la distancia mínima del...