FUNDAMENTOS DE ENERGÍA SOLAR

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1 FUNDAMENTOS DE ENERGÍA SOLAR Dr. Ricardo Guerrero Lemus 1

2 DUALIDAD ONDA/PARTÍCULA DE LA LUZ: A partir de finales del siglo XVII empezó a prevalecer el punto de vista mecánico de Newton por el que la luz estaba compuesto por pequeñas partículas. A principios del siglo XIX los experimentos de interferencias de Young y Fresnel demostraban que la luz estaba compuesta por ondas. En el entorno de 1860 la teoría de la radiación electromagnética de Maxwell fue aceptada, entendiendo que la luz formaba parte de de un amplio espectro de ondas electromagnéticas de distintas longitudes de onda. en 1905 Einstein explicó el efecto fotoeléctrico proponiendo que la luz estaba compuesta de partículas discretas a las que llamó cuantos de energía. 2

3 Desde entonces se acepta la dualidad onda/partícula, resumida en la siguiente ecuación: E = hν = hc λ E: energía [J, ev] ν: frecuencia [s -1 ] λ: longitud de onda [μm, nm] h: constante de Plank ( J s) c: velocidad de la luz en el vacío ( m s -1 ) Habitualmente: E( ev ) = 1.24 λ( μm) 1 ev = C V = J 3

4 4

5 CUERPO NEGRO: Absorbedor y emisor de radiación ideal. Al incrementar su temperatura, su espectro de emisión se sitúa en longitudes de onda más cortas. Plank describió en 1900 la distribución de longitudes de onda emitidas en un rango de frecuencias [ν, ν+dν] en función de la temperatura: ξ ( ν ) dν = c 3 8πhν dν 3 e hν kt 1 ξ(ν): energía por unidad de área y unidad de longitud de onda. k: constante de Boltzman ( J/K) 5

6 0º C = 273 K 3000 K ~ temperatura del filamento de tungsteno (poco eficiente en el visible) 6

7 RADIACIÓN SOLAR: El sol es una esfera de gas calentada por las reacciones de fusión nuclear que se producen en su interior. Las temperaturas del interior del sol alcanzan los K. La radiación producida por las reacciones nucleares es absorbida por una capa de iones de hidrógeno cercana a la superficie. Esta energía absorbida es transferida a la capa exterior (fotosfera) mediante convección, emitiendo a una temperatura de 6000 K. 7

8 RADIACIÓN SOLAR EN LA TIERRA: Distancia media Tierra-Sol: km. Radio del Sol: km; excentricidad de la órbita terrestre: 1.67% Densidad de potencia media del Sol que llega a la Tierra: 1367 ±7 W m -2. (CONSTANTE SOLAR) en un arco de º (muy compacto). La densidad de potencia media que llega a la superficie de la Tierra depende de: Dispersión Rayleigh (azul del cielo, dependencia ~ λ -4 ). Dispersión por aerosoles y polvo. Absorción por gases. Ozono (< 242,2 nm). cuanta menos masa de aire atraviese la luz, mayor potencia llega a la superficie: masa aire = AM = 1 = cosφ 1+ s h 2 8

9 9

10 Atenuación mínima del 30% al entrar en la atmósfera. AM0: radiación solar antes de entrar en la atmósfera. Constante Solar: 1367 W m 2. AM1: radiación solar incidiendo verticalmente en la superficie terrestre. AM1.5: radiación solar estándar en fotovoltaica (48.2º). Densidad de potencia: 970 W m 2 (~ 1000 W m -2 ) 10

11 EFECTOS ATMOSFÉRICOS: 11

12 EFECTOS ATMOSFÉRICOS: Cúmulos (nubes densas a baja altura): muy efectivas bloqueando la radiación solar, se puede recuperar ~ 50% como radiación difusa. Cirros (nubes poco densas a gran altura): menos efectivas bloqueando radiación solar, se puede recuperar ~ 2/3 como radiación difusa. 12

13 13

14 MOVIMIENTO APARENTE DEL SOL: En los equinoccios (21 de marzo y 23 de septiembre) el sol sale exactamente por el este y se pone por el oeste. Al mediodía solar de los equinoccios, el ángulo del sol respecto a la normal a la superficie es de 90º menos el valor de la latitud. Al mediodía solar de los solsticios de verano e invierno (21 de junio y 22 de diciembre, respectivamente) el ángulo del sol disminuye o aumenta el valor de la inclinación de la Tierra (23º 27 ). a qué latitud estamos? 35ºN 14

15 MADRID: 15

16 MADRID: 16

17 HORAS DE SOL: Cifra superior: kwh/año. Cifra inferior: horas de sol al año. Capital de provincia. 17

18 PIRANÓMETROS: -Medida de radiación solar -Componente especular y difusa 18

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