Cálculo de un colector solar plano
La práctica muestra que un promedio de 900 W de energía térmica por metro cuadrado de una superficie instalada perpendicular a la luz solar brillante (con un cielo sin nubes). Calcularemos el SC sobre la base de un modelo con un área de 1 m². El lado frontal es mate, negro (tiene cerca del 100% de absorción de energía térmica). La parte trasera está aislada con una capa de 10 cm de poliestireno expandido. Se requiere calcular las pérdidas de calor que ocurren en el lado sombreado inverso. Coeficiente de aislamiento térmico de poliestireno expandido - 0,05 W / m × grado. Conociendo el espesor y asumiendo que la diferencia de temperatura en los lados opuestos del material está dentro de los 50 grados, calculamos la pérdida de calor:
0,05 / 0,1 × 50 = 25 W.
Se esperan aproximadamente las mismas pérdidas de los extremos y las tuberías, es decir, la cantidad total será de 50 vatios. Los cielos despejados son raros y también se debe tener en cuenta el efecto de los depósitos de suciedad en el colector. Por lo tanto, reduciremos la cantidad de energía térmica por 1 m² a 800 W. El agua utilizada como portador de calor en los SC planos tiene una capacidad calorífica de 4200 J/kg × grado o 1,16 W/kg × grado. Esto significa que para elevar un grado la temperatura de un litro de agua, se necesitarán 1,16 W de energía. Dados estos cálculos, obtenemos el siguiente valor para nuestro modelo de colector solar de 1 m² de área:
Redondeamos por conveniencia hasta 700 / kg × grado. Esta expresión indica la cantidad de agua que se puede calentar en un colector (modelo de 1 m²) durante una hora. Esto no tiene en cuenta la pérdida de calor por la parte delantera, que aumentará a medida que se caliente. Estas pérdidas limitarán el calentamiento del refrigerante en el colector solar entre 70 y 90 grados. En este sentido, el valor de 700 se puede aplicar a bajas temperaturas (de 10 a 60 grados). El cálculo del colector solar muestra que un sistema de 1 m² es capaz de calentar 10 litros de agua a 70 grados, lo que es suficiente para proporcionar agua caliente a una casa. Puede reducir el tiempo de calentamiento del agua reduciendo el volumen del colector solar manteniendo su área. Si la cantidad de personas que viven en la casa requiere un mayor volumen de agua, se deben usar varios colectores de esta área, que están conectados en un solo sistema. Para que la luz del sol actúe sobre el radiador de la manera más eficiente posible, el colector debe estar orientado en un ángulo con respecto a la línea del horizonte igual a la latitud del área. Esto ya se ha comentado en el artículo Cómo calcular la potencia de los paneles solares, se aplica el mismo principio. En promedio, se necesitan 50 litros de agua caliente para asegurar la vida de una persona. Dado que el agua antes de calentar tiene una temperatura de unos 10 °C, la diferencia de temperatura es de 70 - 10 = 60 °C. La cantidad de calor necesaria para calentar agua es la siguiente:
W=Q × V × Tp = 1,16 × 50 × 60 = 3,48 kW de energía.
Dividiendo W por la cantidad de energía solar por 1 m² de superficie en un área determinada (datos de centros hidrometeorológicos), obtenemos el área del colector. El cálculo de un colector solar para calefacción se realiza de manera similar. Pero se necesita más el volumen de agua (refrigerante), que depende del volumen de la habitación calentada. Se puede concluir que es posible mejorar la eficiencia de este tipo de sistema de calentamiento de agua reduciendo el volumen y simultáneamente aumentando el área.
Tecnologías de hielo
Se están desarrollando una serie de tecnologías en las que se produce hielo durante los períodos de menor actividad y luego se utiliza para la refrigeración. Por ejemplo, el aire acondicionado se puede hacer más económico usando electricidad barata por la noche para congelar el agua y luego usando el poder de enfriamiento del hielo durante el día para reducir la cantidad de energía requerida para mantener el aire acondicionado. El almacenamiento de energía térmica mediante hielo aprovecha el alto calor de fusión del agua. Históricamente, el hielo se transportaba desde las montañas a las ciudades para ser utilizado como refrigerante. Una tonelada métrica (= 1 m3) de agua puede almacenar 334 millones de julios (J) o 317 000 unidades térmicas británicas (93 kWh).Una unidad de almacenamiento relativamente pequeña puede almacenar suficiente hielo para enfriar un edificio grande durante todo un día o una semana.
Además de usar hielo para enfriamiento directo, también se usa en bombas de calor que alimentan sistemas de calefacción. En estas áreas, los cambios de fase de energía proporcionan una capa conductora de calor muy importante, cercana al umbral de temperatura más bajo al que puede operar una bomba de calor que utiliza el calor del agua. Esto permite que el sistema maneje las cargas de calefacción más pesadas y aumente la cantidad de tiempo que los elementos de la fuente de energía pueden devolver calor al sistema.
Reacciones químicas endotérmicas y exotérmicas.
Tecnología de hidrato de sal
Un ejemplo de una tecnología de almacenamiento de energía experimental basada en la energía de las reacciones químicas es una tecnología basada en hidratos de sal. El sistema utiliza la energía de la reacción creada en el caso de hidratación o deshidratación de sales. Funciona almacenando calor en un tanque que contiene una solución de hidróxido de sodio al 50%. El calor (por ejemplo, obtenido de un colector solar) se almacena debido a la evaporación del agua durante una reacción endotérmica. Cuando se vuelve a agregar agua, se libera calor durante la reacción exotérmica a 50C (120F). Actualmente, los sistemas operan con una eficiencia del 60%. El sistema es especialmente eficaz para el almacenamiento de energía térmica estacional, ya que la sal seca se puede almacenar a temperatura ambiente durante mucho tiempo sin pérdida de energía. Los contenedores de sal deshidratada pueden incluso transportarse a diferentes lugares. El sistema tiene una densidad de energía mayor que el calor almacenado en el agua, y su capacidad le permite almacenar energía durante varios meses o incluso años.
En 2013, el desarrollador de tecnología holandés TNO presentó los resultados del proyecto MERITS para almacenar calor en un contenedor de sal. El calor que se puede entregar desde el colector solar a la cubierta plana evapora el agua contenida en la sal. Cuando se vuelve a añadir agua, se libera calor prácticamente sin pérdida de energía. Un recipiente con unos pocos metros cúbicos de sal puede almacenar suficiente energía termoquímica para calentar una casa durante todo el invierno. Con temperaturas como las de los Países Bajos, una granja tolerante al calor promedio requerirá aproximadamente 6,7 GJ de energía durante el invierno. Almacenar tanta energía en agua (con una diferencia de temperatura de 70 °C) requeriría 23 m3 de agua en un tanque aislado, que es más de lo que la mayoría de los hogares pueden almacenar. Con el uso de tecnología de hidratos de sal con una densidad de energía de alrededor de 1 GJ/m3, 4-8 m3 serían suficientes.
A partir de 2016, investigadores de varios países están realizando experimentos para determinar el mejor tipo de sal o mezcla de sales. La baja presión dentro del contenedor parece ser lo mejor para la transferencia de energía. Particularmente prometedoras son las sales orgánicas, los llamados "líquidos iónicos". En comparación con los adsorbentes de haluros de litio, causan muchos menos problemas en entornos con recursos limitados y, en comparación con la mayoría de los haluros y el hidróxido de sodio, son menos cáusticos y no tienen un impacto negativo a través de las emisiones de dióxido de carbono.
Enlaces químicos moleculares
Actualmente se investiga la posibilidad de almacenar energía en enlaces químicos moleculares. Ya se ha logrado una densidad de energía equivalente a las baterías de iones de litio.
Distribución de la radiación en el límite de la atmósfera
Para la climatología, la cuestión de la distribución de la entrada y el retorno de la radiación sobre el globo es de gran interés. Considere primero la distribución de la radiación solar sobre una superficie horizontal "en el límite de la atmósfera". También se podría decir: "en ausencia de una atmósfera". Por esto asumimos que no hay ni absorción ni dispersión de radiación, ni su reflexión por las nubes. La distribución de la radiación solar en el límite de la atmósfera es la más simple.Realmente existe a una altitud de varias decenas de kilómetros. Esta distribución se denomina clima solar.
Se sabe cómo cambia la constante solar durante el año y, en consecuencia, la cantidad de radiación que llega a la Tierra. Si determinamos la constante solar para la distancia real de la Tierra al Sol, entonces con un valor promedio anual de 1.98 cal/cm2 min. será igual a 2,05 cal/cm2 min. en enero y 1,91 cal/cm2 min. en julio.
Por lo tanto, el hemisferio norte durante un día de verano recibe algo menos de radiación en el límite de la atmósfera que el hemisferio sur durante su día de verano.
La cantidad de radiación recibida por día en el límite de la atmósfera depende de la época del año y la latitud del lugar. En cada latitud, la estación determina la duración de la afluencia de radiación. Pero bajo diferentes latitudes, la duración de la parte diurna del día al mismo tiempo es diferente.
En el Polo, el sol no se pone en verano y no sale durante 6 meses en invierno. Entre el Polo y el Círculo Polar Ártico, el sol no se pone en verano y no sale en invierno durante un período de seis meses a un día. En el ecuador, el día siempre dura 12 horas. Desde el círculo polar ártico hasta el ecuador, las horas de luz diurna disminuyen en verano y aumentan en invierno.
Pero la afluencia de radiación solar sobre una superficie horizontal depende no solo de la duración del día, sino también de la altura del sol. La cantidad de radiación que llega al límite de la atmósfera por unidad de superficie horizontal es proporcional al seno de la altura del sol. Y la altura del sol no solo cambia en cada lugar durante el día, sino que también depende de la época del año. La altura del sol en el ecuador varía a lo largo del año de 90 a 66,5°, en los trópicos de 90 a 43°, en los círculos polares de 47 a 0° y en los polos de 23,5 a 0°.
La esfericidad de la Tierra y la inclinación del plano ecuatorial al plano de la eclíptica crean una distribución compleja del flujo de entrada de radiación sobre las latitudes en el límite de la atmósfera y sus cambios durante el año.
En invierno, la entrada de radiación disminuye muy rápidamente desde el ecuador hasta el polo, en verano disminuye mucho más lentamente. En este caso, el máximo en verano se observa en el trópico, y la entrada de radiación disminuye un poco desde el trópico hacia el ecuador. La pequeña diferencia en la afluencia de radiación entre las latitudes polares y tropicales en verano se explica por el hecho de que, aunque las alturas del sol en las latitudes polares son más bajas en verano que en los trópicos, la duración del día es larga. En el día del solsticio de verano, por lo tanto, en ausencia de atmósfera, el polo recibiría más radiación que el ecuador. Sin embargo, cerca de la superficie terrestre, como resultado de la atenuación de la radiación por parte de la atmósfera, su reflejo en las nubes, etc., la afluencia estival de radiación en latitudes polares es significativamente menor que en latitudes más bajas.
En el límite superior de la atmósfera fuera de los trópicos, hay un máximo de radiación anual en el solsticio de verano y un mínimo en el solsticio de invierno. Pero entre los trópicos, la afluencia de radiación tiene dos máximos por año, atribuibles a aquellos momentos en que el sol alcanza su altura máxima del mediodía. En el ecuador, esto será en los días de los equinoccios, en otras latitudes intratropicales, después del equinoccio de primavera y antes del equinoccio de otoño, alejándose del momento de los equinoccios, cuanto mayor sea la latitud. La amplitud de la variación anual en el ecuador es pequeña, dentro de los trópicos es pequeña; en latitudes templadas y altas es mucho mayor.
Distribución del calor y la luz en la Tierra
El sol es la estrella del sistema solar, que es la fuente de una enorme cantidad de calor y luz cegadora para el planeta Tierra. A pesar de que el Sol se encuentra a una distancia considerable de nosotros y solo nos llega una pequeña parte de su radiación, esto es suficiente para el desarrollo de la vida en la Tierra. Nuestro planeta gira alrededor del sol en una órbita. Si se observa la Tierra desde una nave espacial durante el año, entonces se puede notar que el Sol siempre ilumina solo la mitad de la Tierra, por lo tanto, allí habrá día, y en ese momento habrá noche en la mitad opuesta. La superficie de la tierra recibe calor sólo durante el día.
Nuestra Tierra se está calentando de manera desigual. El calentamiento desigual de la Tierra se explica por su forma esférica, por lo que el ángulo de incidencia del rayo solar en diferentes áreas es diferente, lo que significa que diferentes partes de la Tierra reciben diferentes cantidades de calor. En el ecuador, los rayos del sol caen verticalmente y calientan mucho la Tierra.Cuanto más lejos del ecuador, el ángulo de incidencia del haz se vuelve más pequeño y, en consecuencia, estos territorios reciben menos calor. El mismo rayo de energía de la radiación solar calienta un área mucho más pequeña cerca del ecuador, ya que cae verticalmente. Además, los rayos que caen en un ángulo menor que en el ecuador, penetrando en la atmósfera, recorren un camino más largo en ella, como resultado de lo cual parte de los rayos del sol se dispersan en la troposfera y no llegan a la superficie terrestre. Todo esto indica que a medida que te alejas del ecuador hacia el norte o el sur, la temperatura del aire disminuye, a medida que disminuye el ángulo de incidencia del rayo solar.
El grado de calentamiento de la superficie terrestre también se ve afectado por el hecho de que el eje terrestre está inclinado con respecto al plano de la órbita, a lo largo del cual la Tierra da una vuelta completa alrededor del Sol, en un ángulo de 66,5 ° y siempre está dirigida por el extremo norte hacia la Estrella Polar.
Imagine que la Tierra, moviéndose alrededor del Sol, tiene el eje de la Tierra perpendicular al plano de la órbita de rotación. Entonces la superficie en diferentes latitudes recibiría una cantidad constante de calor durante todo el año, el ángulo de incidencia del rayo solar sería constante todo el tiempo, el día sería siempre igual a la noche, no habría cambio de estaciones. En el ecuador, estas condiciones diferirían poco de las actuales. La inclinación del eje terrestre tiene un efecto significativo sobre el calentamiento de la superficie terrestre y, por tanto, sobre todo el clima, precisamente en las latitudes templadas.
Durante el año, es decir, durante la revolución completa de la Tierra alrededor del Sol, destacan especialmente cuatro días: 21 de marzo, 23 de septiembre, 22 de junio, 22 de diciembre.
Los trópicos y los círculos polares dividen la superficie de la Tierra en cinturones que difieren en la iluminación solar y la cantidad de calor recibido del Sol. Hay 5 zonas de iluminación: las zonas polares norte y sur, que reciben poca luz y calor, la zona tropical de clima cálido, y las zonas templadas norte y sur, que reciben más luz y calor que las polares, pero menos de los tropicales.
Entonces, en conclusión, podemos sacar una conclusión general: el calentamiento y la iluminación desiguales de la superficie terrestre están asociados con la esfericidad de nuestra Tierra y con la inclinación del eje de la tierra hasta 66,5 ° con respecto a la órbita de rotación alrededor del Sol.
Acumulación de calor en roca caliente, hormigón, guijarros, etc.
El agua tiene una de las capacidades caloríficas más altas: 4,2 J / cm3 * K, mientras que el hormigón tiene solo un tercio de este valor. El hormigón, por otro lado, se puede calentar a temperaturas mucho más altas de 1200 °C, por ejemplo, mediante calefacción eléctrica y, por lo tanto, tiene una capacidad general mucho mayor. Siguiendo el ejemplo a continuación, un cubo aislado de aproximadamente 2,8 m de ancho puede proporcionar suficiente calor almacenado para que una casa satisfaga el 50% de la demanda de calefacción. En principio, podría utilizarse para almacenar el exceso de energía eólica o térmica fotovoltaica debido a la capacidad del calentamiento eléctrico para alcanzar altas temperaturas.
A nivel de condado, el proyecto Wiggenhausen-Süd en la ciudad alemana de Friedrichshafen atrajo la atención internacional. Se trata de una unidad de almacenamiento de calor de hormigón armado de 12 000 m3 (420 000 pies cúbicos) conectada a una unidad de almacenamiento de calor de 4300 m2 (46 000 pies cuadrados).
ft.), cubriendo la mitad de las necesidades de agua caliente y calefacción de 570 viviendas. Siemens está construyendo una instalación de almacenamiento de calor cerca de Hamburgo con una capacidad de 36 MWh, que consta de basalto calentado a 600 °C y genera 1,5 MW de potencia. Está prevista la construcción de un sistema similar en la ciudad danesa de Sorø, donde el 41-58 % del calor almacenado con una capacidad de 18 MWh se transferirá a la calefacción urbana de la ciudad y el 30-41 % como electricidad.
Cómo calcular el payback de la calefacción solar
Usando la tabla a continuación, puede calcular cuánto se reducirán sus costos de calefacción al usar colectores solares, cuánto tiempo puede pagar este sistema y qué beneficios se pueden obtener durante varios períodos de operación. Este modelo fue desarrollado para Primorsky Krai, pero también se puede utilizar para estimar el uso de la calefacción solar en Khabarovsk Krai, Amur Oblast, Sakhalin, Kamchatka y el sur de Siberia.En este caso, los colectores solares tendrán menos efecto en diciembre-enero en latitudes más altas, pero los beneficios generales no serán menores, dado que la temporada de calefacción es más larga.
En la primera tabla, ingrese los parámetros de su casa, el sistema de calefacción y los precios de la energía. Todos los campos que están marcados en verde se pueden modificar y simular una casa existente o planificada.
Primero, ingrese el área climatizada de su casa en la primera columna.
Luego evalúe la calidad del aislamiento térmico del edificio y el método de calefacción seleccionando los valores apropiados.
Indique el número de miembros de la familia y el consumo de agua caliente; esto ayudará a evaluar los beneficios del suministro de agua caliente de los colectores solares.
Introduzca los precios de su fuente de energía de calefacción habitual: electricidad, gasóleo o carbón.
Indique el valor de los ingresos habituales de un familiar que se dedique a la calefacción de su hogar. Esto ayuda a estimar los costos de mano de obra para la temporada de calefacción y juega un papel particularmente importante para los sistemas de combustible sólido, donde es necesario traer y descargar carbón, arrojarlo al horno, tirar cenizas, etc.
El precio del sistema de colector solar se determinará automáticamente, en función de los parámetros de construcción que especifique. Este precio es aproximado: los costos reales de instalación y los parámetros del equipo de calefacción solar pueden diferir y los especialistas los calculan individualmente en cada caso.
En la columna "Costos de instalación", puede ingresar el costo del equipo y la instalación de un sistema de calefacción tradicional, existente o planificado
Si el sistema ya está instalado, puede ingresar "0".
Preste atención a la cantidad de gastos para la temporada de calefacción y compárelos con sus gastos habituales. Si son diferentes, intente cambiar la configuración.
En la columna "Costos de calefacción por temporada", los sistemas de calefacción a carbón tienen en cuenta el valor monetario de los costos laborales. Si no desea tenerlos en cuenta, puede reducir el valor de los ingresos de un miembro de la familia involucrado en la calefacción. Los costos de mano de obra se consideran en menor medida para los sistemas de combustible líquido y no se consideran para los sistemas de calderas eléctricas. El ajuste de los colectores solares se realiza automáticamente y no requiere atención constante.
En la columna "Vida útil", el valor predeterminado es de 20 años: esta es la vida útil habitual de los sistemas de calefacción solar con colectores solares. Dependiendo de las condiciones de operación, los colectores solares pueden durar más que este período. Puede cambiar la vida útil y el gráfico a continuación reflejará la diferencia entre los costos de instalación y mantenimiento y los beneficios de usar colectores solares para calefacción. Por lo tanto, verá cuánto se reducirán los costos de calefacción y cuánto tiempo esta diferencia permitirá recuperar los costos de instalación de colectores solares.
Los resultados finales son aproximados, pero dan una buena idea de cuánto puede costar un sistema de calefacción solar y cuánto tiempo puede pagar por sí mismo.
Tenga en cuenta que los costos de la temporada de calefacción se pueden reducir significativamente mediante el uso de colectores solares, sistemas de calefacción por suelo radiante y la mejora del aislamiento térmico del edificio. Además, los costos de calefacción pueden reducirse si el edificio está diseñado de antemano para el uso de calefacción solar y utilizando tecnologías de eco-casa.
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¿Qué es el calor solar?
Desde la antigüedad, las personas han sido muy conscientes del papel del Sol en sus vidas. En casi todas las naciones, actuó como la principal o una de las principales deidades, dando vida y luz a todos los seres vivos. Hoy, la humanidad tiene una idea mucho mejor de dónde proviene el calor del sol.
Desde el punto de vista de la ciencia, nuestro Sol es una estrella amarilla, que es la luminaria de todo nuestro sistema planetario.Extrae su energía del núcleo, la parte central de una enorme bola caliente, donde tienen lugar reacciones de fusión termonuclear de un poder inimaginable a una temperatura medida en millones de grados. El radio del núcleo no es más de una cuarta parte del radio total del Sol, pero es en el núcleo donde se genera la energía radiante, una pequeña fracción de la cual es suficiente para sustentar la vida en nuestro planeta.
La energía liberada ingresa a las capas exteriores del Sol a través de la zona convectiva y llega a la fotosfera, la superficie radiante de la estrella. La temperatura de la fotosfera se acerca a los 6.000 grados, es ella la que convierte y emite al espacio la energía radiante que recibe nuestro planeta. De hecho, vivimos debido a la combustión lenta y gradual del plasma estelar que forma el Sol.
Composición espectral de la radiación solar
El intervalo de longitud de onda entre 0,1 y 4 micras representa el 99% de la energía total de la radiación solar. Solo queda un 1% para la radiación con longitudes de onda más cortas y más largas, hasta los rayos X y las ondas de radio.
La luz visible ocupa un rango estrecho de longitudes de onda, solo de 0,40 a 0,75 micras. Sin embargo, este intervalo contiene casi la mitad de toda la energía solar radiante (46%). Casi la misma cantidad (47%) se encuentra en rayos infrarrojos y el 7% restante en ultravioleta.
En meteorología, se acostumbra distinguir entre radiación de onda corta y de onda larga. La radiación de onda corta se llama radiación en el rango de longitud de onda de 0,1 a 4 micrones. Incluye, además de la luz visible, la radiación ultravioleta e infrarroja más cercana a ella en longitudes de onda. La radiación solar es 99% tal radiación de onda corta. La radiación de onda larga incluye la radiación de la superficie terrestre y la atmósfera con longitudes de onda de 4 a 100-120 micrones.
Intensidad de la radiación solar directa
La radiación que llega a la superficie terrestre directamente desde el disco solar se denomina radiación solar directa, en contraste con la radiación dispersada en la atmósfera. La radiación solar se propaga desde el Sol en todas las direcciones. Pero la distancia de la Tierra al Sol es tan grande que la radiación directa cae sobre cualquier superficie de la Tierra en forma de un haz de rayos paralelos que emanan, por así decirlo, desde el infinito. Incluso el globo como un todo es tan pequeño en comparación con la distancia del Sol que toda la radiación solar que incide sobre él puede considerarse como un haz de rayos paralelos sin error perceptible.
La afluencia de radiación solar directa a la superficie de la tierra o a cualquier nivel superior en la atmósfera se caracteriza por la intensidad de la radiación I, es decir, la cantidad de energía radiante que ingresa por unidad de tiempo (un minuto) por unidad de área (un centímetro cuadrado) perpendicular a los rayos del sol.
Arroz. 1. La entrada de radiación solar a la superficie perpendicular a los rayos (AB), y sobre una superficie horizontal (C.A.).
Es fácil comprender que una unidad de área ubicada perpendicularmente a los rayos del sol recibirá la máxima cantidad de radiación posible en unas condiciones dadas. Una unidad de área horizontal tendrá una menor cantidad de energía radiante:
yo' = yo sinh
donde h es la altura del sol (Fig. 1).
Todos los tipos de energía son mutuamente equivalentes. Por lo tanto, la energía radiante se puede expresar en unidades de cualquier tipo de energía, por ejemplo, térmica o mecánica. Es natural expresarlo en unidades térmicas, porque los instrumentos de medición se basan en el efecto térmico de la radiación: la energía radiante, absorbida casi por completo en el dispositivo, se convierte en calor, que se mide. Así, la intensidad de la radiación solar directa se expresará en calorías por centímetro cuadrado por minuto (cal/cm2min).
Generación de energía
La energía solar funciona convirtiendo la luz solar en electricidad.Esto puede suceder directamente, usando energía fotovoltaica, o indirectamente, usando sistemas de energía solar concentrada, en los que lentes y espejos recogen la luz solar de un área grande en un haz delgado, y un mecanismo de seguimiento rastrea la posición del Sol. La energía fotovoltaica convierte la luz en electricidad mediante el efecto fotoeléctrico.
Se prevé que la energía solar se convierta en la mayor fuente de electricidad para 2050, y la energía solar fotovoltaica y concentrada representen el 16 % y el 11 % de la generación de electricidad mundial, respectivamente.
Las centrales eléctricas comerciales que utilizan energía solar concentrada aparecieron por primera vez en la década de 1980. A partir de 1985, una instalación SEGS de este tipo de 354 MW en el desierto de Mojave (California) se convirtió en la mayor planta de energía solar del mundo. Otras plantas solares de este tipo son Solnova (150 MW) y Andasol (100 MW), ambas en España. Entre las plantas de energía fotovoltaica más grandes (inglés) se encuentran el Proyecto Solar Agua Caliente (250 MW) en los EE. UU. y el Parque Solar Charanka (221 MW) en la India. Se están desarrollando proyectos de más de 1 GW, pero la mayoría de las instalaciones fotovoltaicas de hasta 5 kW son pequeñas y se encuentran en azoteas. A partir de 2013, la energía solar representó menos del 1% de la electricidad en la red mundial.
Tipos de radiación solar
En la atmósfera, la radiación solar en su camino hacia la superficie terrestre es parcialmente absorbida y parcialmente dispersada y reflejada por las nubes y la superficie terrestre. En la atmósfera se observan tres tipos de radiación solar: directa, difusa y total.
Radiación solar directa: radiación que llega a la superficie de la tierra directamente desde el disco del sol. La radiación solar se propaga desde el Sol en todas las direcciones. Pero la distancia de la Tierra al Sol es tan grande que la radiación directa cae sobre cualquier superficie de la Tierra en forma de un haz de rayos paralelos que emanan, por así decirlo, desde el infinito. Incluso el globo entero como un todo es tan pequeño en comparación con la distancia al Sol que toda la radiación solar que incide sobre él puede considerarse un haz de rayos paralelos sin error perceptible.
Sólo la radiación directa alcanza el límite superior de la atmósfera. Alrededor del 30% de la radiación incidente en la Tierra se refleja en el espacio exterior. El oxígeno, el nitrógeno, el ozono, el dióxido de carbono, el vapor de agua (nubes) y las partículas de aerosol absorben el 23% de la radiación solar directa en la atmósfera. El ozono absorbe la radiación ultravioleta y visible. A pesar de que su contenido en el aire es muy pequeño, absorbe toda la radiación ultravioleta (alrededor del 3%)
Por lo tanto, no se observa en absoluto en la superficie de la tierra, lo cual es muy importante para la vida en la Tierra.
La radiación solar directa en su paso por la atmósfera también se dispersa. Una partícula (gota, cristal o molécula) de aire, que se encuentra en la trayectoria de una onda electromagnética, “extrae” continuamente energía de la onda incidente y la reirradia en todas direcciones, convirtiéndose en un emisor de energía.
Alrededor del 25% de la energía del flujo de radiación solar total que pasa a través de la atmósfera es disipada por las moléculas de gas atmosférico y los aerosoles y se convierte en la atmósfera en radiación solar dispersa. Así, la radiación solar dispersada es radiación solar que ha sufrido dispersión en la atmósfera. La radiación dispersa llega a la superficie de la tierra no desde el disco solar, sino desde todo el firmamento. La radiación dispersa difiere de la radiación directa en su composición espectral, ya que los rayos de diferentes longitudes de onda se dispersan en diferentes grados.
Dado que la fuente primaria de radiación difusa es la radiación solar directa, el flujo de radiación difusa depende de los mismos factores que afectan el flujo de radiación directa. En particular, el flujo de radiación dispersa aumenta a medida que aumenta la altura del Sol y viceversa.También aumenta con el aumento del número de partículas dispersas en la atmósfera, es decir, con una disminución en la transparencia de la atmósfera, y disminuye con la altura sobre el nivel del mar debido a una disminución en el número de partículas dispersas en las capas superiores de la atmósfera. La nubosidad y la capa de nieve tienen una influencia muy grande sobre la radiación difusa que, debido a la dispersión y reflexión de la radiación directa y difusa que incide sobre ellos y su redispersión en la atmósfera, puede aumentar varias veces la radiación solar difusa.
La radiación dispersa complementa significativamente la radiación solar directa y aumenta significativamente el flujo de energía solar hacia la superficie terrestre. Su papel es especialmente grande en invierno en latitudes altas y en otras regiones con mucha nubosidad, donde la fracción de radiación difusa puede exceder la fracción de radiación directa. Por ejemplo, en la cantidad anual de energía solar, la radiación dispersa representa el 56 % en Arkhangelsk y el 51 % en San Petersburgo.
La radiación solar total es la suma de los flujos de radiación directa y difusa que llegan a una superficie horizontal. Antes del amanecer y después del atardecer, así como durante el día con nubosidad continua, la radiación total es completa y, a bajas altitudes del Sol, consiste principalmente en radiación dispersa. En un cielo despejado o ligeramente nublado, con un aumento en la altura del Sol, la proporción de radiación directa en la composición del total aumenta rápidamente y durante el día su flujo es muchas veces mayor que el flujo de radiación dispersa. La nubosidad en promedio debilita la radiación total (en un 20-30%), sin embargo, con nubosidad parcial que no cubre el disco solar, su flujo puede ser mayor que con un cielo sin nubes. La capa de nieve aumenta significativamente el flujo de radiación total al aumentar el flujo de radiación dispersa.
La radiación total, que cae sobre la superficie terrestre, es absorbida principalmente por la capa superior del suelo o una capa más gruesa de agua (radiación absorbida) y se convierte en calor y se refleja parcialmente (radiación reflejada).
Cinturones térmicos
Según la cantidad de radiación solar que ingresa a la superficie terrestre, se distinguen en el globo 7 zonas térmicas: caliente, dos moderadas, dos frías y dos zonas de heladas eternas. Los límites de las zonas térmicas son isotermas. El cinturón caliente está delimitado por isotermas anuales promedio de +20°С desde el norte y el sur (Fig. 9). Dos zonas templadas al norte y al sur de la zona caliente están limitadas desde el lado del ecuador por una isoterma anual promedio de +20 ° С, y desde el lado de las latitudes altas por una isoterma de +10 ° С (la temperatura promedio del aire de los meses más cálidos son julio en el hemisferio norte y enero en el hemisferio sur). El límite norte coincide aproximadamente con el límite de distribución forestal. Las dos zonas frías al norte y al sur de la zona templada en los hemisferios norte y sur se encuentran entre las isotermas de +10 °C y 0 °C del mes más cálido. Los dos cinturones de heladas eternas están delimitados por la isoterma de 0°C del mes más cálido de los cinturones fríos. El reino de la nieve y el hielo eternos se extiende hasta los polos norte y sur.
Resultados de la medición de la radiación solar directa
Con la transparencia de la atmósfera sin cambios, la intensidad de la radiación solar directa depende de la masa óptica de la atmósfera, es decir, en última instancia, de la altura del sol. Por lo tanto, durante el día, la radiación solar primero debe aumentar rápidamente, luego más lentamente desde el amanecer hasta el mediodía, y primero lentamente, luego disminuir rápidamente desde el mediodía hasta la puesta del sol.
Pero la transparencia de la atmósfera durante el día varía dentro de ciertos límites. Por lo tanto, la curva del curso diurno de la radiación, incluso en un día completamente despejado, muestra algunas irregularidades.
Las diferencias en la intensidad de la radiación al mediodía se deben principalmente a las diferencias en la altura del sol al mediodía, que es menor en invierno que en verano. La intensidad mínima en latitudes templadas ocurre en diciembre, cuando el sol está en su punto más bajo. Pero la máxima intensidad no se da en los meses de verano, sino en primavera.El hecho es que en primavera el aire está menos enturbiado por los productos de condensación y poco polvoriento. En verano, aumenta el polvo y también aumenta el contenido de vapor de agua en la atmósfera, lo que reduce un poco la intensidad de la radiación.
Los valores máximos de intensidad de radiación directa para algunos puntos son los siguientes (en cal/cm2min): Tiksi Bay 1,30, Pavlovsk 1,43, Irkutsk 1,47, Moscú 1,48, Kursk 1,51, Tbilisi 1,51, Vladivostok 1, 46, Tashkent 1,52.
Se puede ver a partir de estos datos que los valores máximos de la intensidad de la radiación crecen muy poco al disminuir la latitud geográfica, a pesar del aumento en la altura del sol. Esto se explica por un aumento en el contenido de humedad y en parte por la formación de polvo en las latitudes del sur. En el ecuador, los valores máximos de radiación no superan mucho los máximos de verano de las latitudes templadas. En el aire seco de los desiertos subtropicales (Sahara), sin embargo, se observaron valores de hasta 1,58 cal/cm2 min.
Con la altura sobre el nivel del mar, los valores máximos de radiación aumentan debido a una disminución de la masa óptica de la atmósfera a la misma altura del sol. Por cada 100 m de altitud, la intensidad de la radiación en la troposfera aumenta entre 0,01 y 0,02 cal/cm2 min. Ya hemos dicho que los valores máximos de intensidad de radiación observados en las montañas alcanzan 1,7 cal/cm2 min y más.