LA RADIACIÓN SOLAR 1. INTRODUCCIÓN A LA RADIACIÓN SOLAR. Les Heures Fundació Bosch i Gimpera Universitat de Barcelona

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1 Universitat Institute for LifeLong Learning Institut de Formació Contínua Instituto de Formación Continua de Barcelona TEMA 2 LA RADIACIÓN SOLAR JAUME SERRASOLSES BIÓLOGO DE FORMACIÓN. PARTÍCIPE EN LA CREACIÓN DE LA COOPERATIVA DE ENERGÍAS RENOVABLES TAPS Y DE LA INGENIERÍA TRAMA TECNOAMBIENTAL SL. HA PARTICIPADO EN MÚLTIPLES PROYECTOS DE ENERGÍAS RENOVABLES Y EFICIENCIA ENERGÉTICA, CURSOS Y MÁSTERS SOBRE DICHA TEMÁTICA. de esta edición: Fundació IL3-UB, 2009 D.L.: B U B Les Heures Fundació Bosch i Gimpera Universitat de Barcelona UNIVERSITAT DE BARCELONA Virtual

2 ÍNDICE 1. Introducción a la radiación solar La energía, el Sol y la Tierra La radiación extraterrestre y la radiación terrestre La atmósfera y el balance de radiación. Radiación directa y difusa

3 1. INTRODUCCIÓN A LA RADIACIÓN SOLAR 1.1. LA ENERGÍA, EL SOL Y LA TIERRA Las formas de energía primigenias del universo son la energía gravitacional y la energía nuclear. La energía gravitatoria mantiene a las galaxias en movimiento, a la Tierra girando alrededor del Sol y confina la atmósfera que hace nuestro planeta habitable. La transformación de la energía nuclear (fusión) en el interior del Sol produce un incesante flujo de energía electromagnética, llamada radiación solar. La actividad radioactiva de los materiales del centro de la Tierra genera calor que se difunde hasta la superficie y que se denomina energía geotérmica. El calor producido en ambos procesos pone en movimiento la atmósfera, los océanos y las gigantescas placas tectónicas terrestres. Una pequeña parte de la energía radiante del Sol se transforma, mediante la fotosíntesis, en reservas de energía química, que son utilizadas por muchas clases de bacterias y plantas. Los seres heterótrofos ingieren y reorganizan los tejidos vegetales de las plantas en nuevos enlaces químicos y los utilizan para crear energía mecánica (cinética). La energía química almacenada durante millones de años en los combustibles fósiles se libera por combustión en calderas y máquinas como energía térmica, la cual, a través de muchos procesos, se convierte en energía mecánica, química o electromagnética. Resulta entonces clara la importancia preponderante de la energía electromagnética emitida por el Sol para todas las sucesivas transformaciones ener- tienen origen directa o indirecta- 5 Todas las energías renovables géticas que tienen lugar en la Tierra. Mientras en el núcleo del Sol quede mente en la radiación solar. suficiente hidrógeno para mantener las reacciones termonucleares, la estrella inundará la Tierra con esa radiación, generando vientos, lluvias y haciendo funcionar la biosfera. De todas las conversiones energéticas globales que se producen en la Tierra, sólo las geotectónicas y las geotérmicas no proceden de la radiación solar, sino de la radioactividad. 3

4 1.2. LA RADIACIÓN EXTRATERRESTRE Y LA RADIACIÓN TERRESTRE El origen de la radiación solar son las transformaciones que tienen lugar en el núcleo del Sol, básicamente el ciclo protón-protón. Estas transformaciones necesitan temperaturas de entre 13 y 17 millones de grados kelvin. Consumen 4,3 millones de toneladas de materia (hidrógeno) por segundo y liberan, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein (e = mc 2 ), 3, J de energía nuclear de fusión. Esta energía se transforma rápidamente en energía térmica y es transportada hacia el exterior del Sol por radiación primero y por convección después. Una vez alcanzada la fotosfera, la superficie del Sol, la energía se irradia en el espacio con la potencia de 3, W. Cuando alcanza la Tierra, situada a aproximadamente 150 millones de kilómetros de distancia, la densidad de energía emitida por el Sol es aproximadamente de W/m 2. Este valor se conoce con el nombre de constante solar y varía con las perturbaciones solares (1,5 %) y con la posición de la Tierra en su órbita elíptica (3 %). Corona Cromosfera Fotosfera T = 10 6 o K Atmósfera T = K T = 10 6 o K km T = 10 7 o K Núcleo Zona radioactiva 0,25 % 0,45 % 0,30 % Zona convectiva Figura 1. Sección transversal del Sol. Fuente: Smil (2001). 4

5 El espectro de la radiación solar se puede asimilar al espectro de emisión de un cuerpo negro de K. Las longitudes de onda de la radiación emitida varían en más de 10 órdenes de magnitud, desde los rayos X y los rayos γ (10-10 m), hasta las ondas radio (1 m). La emisión es máxima para una longitud de onda de 483 nm, que se sitúa en el espectro visible, entre azul y verde. La energía no se reparte igualmente en las diferentes longitudes de onda. La parte ultravioleta (menos de 400 nm) contribuye sólo con un 9 % del total. El espectro visible (entre 400 y 700 nm) representa un 39 % y el infrarrojo (longitudes de onda superiores a 700 nm) un 52 % del total. Espectro electromagnético Luz blanca 300 Ghz Mhz 30 3 Frecuencia 300 Khz 30 Rayos gama Rayos X Ultravioleta Infrarrojo Microondas Radio EHF SHF UHF VHF HF LF VLF 0,01 A 0,1 1 1 mm mm mm mm km 100 Longitud de onda Luz blanca Infrarrojo V R G B Próximo Medio Lejano mm mm 30 Espectro solar Figura 2. Espectro electromagnético y espectro solar preponderante. Fuente: La radiación que llega a la superficie de la Tierra es muy distinta de la radiación extraterrestre tanto cualitativa como cuantitativamente. Las razones físicas de esta diferencia son varias: que la órbita de la Tierra es elíptica, la propia forma del planeta, la inclinación del eje de rotación, la composición de la atmósfera y la reflectividad (albedo) de las nubes y superficies terrestres. Los cambios en la radiación solar debidos a que la órbita sea elíptica son despreciables en comparación con el efecto de la esfericidad, del albedo y de la rotación de nuestro planeta. La densidad media de radiación recibida por la superficie esférica de la Tierra es la cuarta parte de la constante solar, esto es, no más de 343 W/m 2. La reflexión en la parte superior de las nubes, los océanos, y superficies terrestres varía mucho con las estaciones, pero por término medio el albedo terrestre reduce este flujo en un 30 % hasta los 235 W/m 2, que corresponde a la radiación solar anual media que llega al suelo, en áreas desérticas subtropicales con aire limpio y nubosidad mínima. 5

6 2,5 Sol extraterrestre 2,0 Flujo incidente, kw/m 2 µm 1,5 1,0 Luz solar a nivel del mar (M = 1 masa de aire) 0,5 0,0 0,3 0,6 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Longitud de onda µm Figura 3. Espectro solar extraterrestre y a nivel del mar. Fuente: Smil (2001). La inclinación del eje de rotación terrestre es la causa de las variaciones regulares de la radiación recibida según la latitud. En la zona ecuatorial se dan solamente pequeñas variaciones estacionales, mientras que en las regiones polares, éstas oscilan entre la ausencia total y la presencia de radiación durante todo el día. Según el ángulo de incidencia, la radiación atraviesa diferentes espesores de la atmósfera, donde es dispersada y absorbida por los gases y aerosoles. Consecuentemente, la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra presenta una compleja pauta espacial y temporal. La media anual es ligeramente inferior a los 170 W/m 2 en los océanos y de unos 180 W/m 2 en los continentes. La diferencia más importante del valor esperado, según la latitud de la zona, se encuentra en la disminución que se presenta en los trópicos y durante los monzones subtropicales, debido a la alta nubosidad. Ejemplo Grandes regiones de Brasil, Nigeria y el sur de China reciben menos insolación que las regiones de Europa Occidental. Es aún más sorprendente que no haya diferencia entre el flujo máximo que se recibe a mediodía durante el verano en Yakarta, situada en el ecuador, y el que se recibe en ciudades sub-árticas como Edmonton en Canadá o Yakutsk en Siberia. Quizás el mejor ejemplo sea el de Oahu, donde la casi siempre nublada cordillera Koolau, que intercepta las nubes y las lluvias que arrastran los alisios, tiene una media anual de radiación de 150 W/m 2, mientras que Pearl Harbor, a 15 km de distancia en la dirección del viento, la media es de 250 W/m 2. 6

7 Una radiación solar media de 170 W/m 2 representa anualmente una energía de 2, J. Esta cantidad es casi veces mayor que el consumo mundial de combustibles sólidos y electricidad durante los primeros años noventa. Figura 4. Distribución de la radiación media anual recibida por la Tierra. Fuente: Smil (2001). A la larga, para mantener el equilibrio térmico del planeta, la radiación absorbida debe emitirse al espacio, pero la longitud de onda está drásticamente desplazada hacia el infrarrojo. A diferencia de la radiación de longitud de onda corta emitida por el Sol, que está determinada por la temperatura de la fotosfera (5700 o K), el espectro de emisión de la radiación terrestre corresponde muy aproximadamente a las emisiones electromagnéticas de un cuerpo negro a 300 K (27 o C). La máxima emisión de esta esfera caliente está en la zona del infrarrojo a 966 µm. El origen de la radiación terrestre hacia el espacio es en parte geotérmica y en parte solar (re-emisión). Las incertidumbres geológicas sobre la distribución de temperatura en el núcleo de la Tierra y sobre la convección del magma en el manto dan lugar a diferentes explicaciones para el flujo de calor interno de la Tierra. Lo que sí está claro es que el flujo interno de calor, menos de 100 mw/m 2, tiene un efecto pequeño comparado con la reflexión, absorción y emisión de la radiación solar. 7

8 1.3. LA ATMÓSFERA Y EL BALANCE DE RADIACIÓN. RADIACIÓN DIRECTA Y DIFUSA La atmósfera terrestre (especialmente sus capas más cercanas al planeta, troposfera y estratosfera), junto con la presencia del Sol y su radiación, son los artífices de la vida sobre la Tierra. La atmósfera, que es un conjunto de gases donde predomina el oxígeno y el nitrógeno, actúa de filtro de parte de la radiación solar. Además actúa evitando que la radiación, una vez recibida y absorbida por la superficie terrestre, se pierda en su totalidad por re-irradiación, lográndose también una temperatura relativamente estable sobre la Tierra. Parte de la radiación solar atraviesa la atmósfera y llega directamente a la Tierra, sin haber sufrido ningún cambio de dirección; es la llamada radiación directa. La radiación que no llega directamente es absorbida o reflejada por las partículas en suspensión, por algunos gases, por el vapor de agua o por las nubes. Esta energía reflejada cambia de dirección y, en parte, es devuelta al espacio exterior, pero, finalmente, una fracción llega a la superficie de la Tierra, difundida por igual desde todos los puntos de la bóveda celeste: es la radiación difusa. En cuanto a la radiación absorbida, la reducción no se produce de una forma uniforme sino que la absorción se produce selectivamente según la sustancia absorbente, produciendo los característicos picos en el espectro solar sobre la Tierra, en comparación con el espectro extraterrestre. Ejemplo El caso más conocido en la actualidad es la absorción selectiva que realiza el ozono de la radiación solar que se emite en la banda del ultravioleta. 5 Otra situación conocida es la capacidad que tiene el CO 2 para absorber el infrarrojo, que, cuando se refiere a la radiación re-irradiada o reflejada por la Tierra, provoca el efecto invernadero y el recalentamiento que actualmente empezamos a padecer. El balance de la radiación terrestre en la capa alta de la atmósfera es la suma de la radiación extraterrestre (la constante solar) reducida por el albedo planetario y el flujo saliente de longitud de onda larga. Este balance tiene que ser cero para garantizar el equilibrio térmico. El flujo de radiación medio absorbido por la superficie de la Tierra es el resultado de los intercambios radiantes globales entre Tierra y atmósfera (de media 40 W/m 2 hacia la atmósfera) más las radiaciones directa y difusa. 8

9 El valor medio total es aproximadamente 100 W/m 2 y varía desde los máximos en los océanos (150 W/m 2 ) hasta valores algo negativos en las zonas antárticas. También esta energía acabará devuelta al espacio, pero con cierto desfase temporal, ya que antes participará en el ciclo del agua, que es un intercambio energético no radiante entre Tierra y atmósfera. 4 ALBEDO 35 INDICE 100 % RADIADO AL ESPACIO ESPACIO OZONO 3 3 ESTRATOSFERA SCATTERING 2 VAPOR DE AGUA 13 % TROPOSFERA Total ABSORCIÓN + 47 ONDA CORTA EMISIÓN total 18 ONDA LARGA EMISIÓN 29 NO RADIOACTIVO Figura 5. Balance de radiación espacial y terrestre, valores porcentuales. Fuente: Ferndando Llorente Martínez, INM. 9