Energia solar térmica. Pedro Rufes Martínez

unidad de superficie sobre un plano dado. Se expresa en W/m2.

       Radiación circunsolar: radiación dispersada por la atmósfera, de manera que parece provenir de la región del cielo adyacente al Sol. La radiación circunsolar causa la aureola solar.

       Radiación solar difusa: radiación solar hemisférica menos la radiación solar directa.

       Radiación solar directa: radiación solar incidente sobre un plano dado, procedente de un pequeño ángulo sólido centrado en el disco solar.

       Radiación solar extraterrestre: radiación solar recibida en los límites de la atmósfera terrestre.

       Radiación solar global: radiación solar hemisférica recibida en un plano horizontal.

       Radiación solar hemisférica: radiación solar incidente en una superficie plana dada, recibida desde un ángulo sólido de 2π estereorradianes (del hemisferio situado por encima de la superficie). Se tienen que especificar la inclinación y el azimut de la superficie receptora. La radiación solar hemisférica se compone de la radiación solar directa y de la radiación solar difusa (radiación solar dispersada en la atmósfera o reflejada por el suelo).

2.1.2 La constante solar

      La constante solar es la irradiancia solar extraterrestre, incidente en un plano perpendicular a la dirección de esta radiación, cuando la Tierra está a la distancia media del Sol (149,5 · 10⁶ km). Según el World Radiation Center, el valor de la constante solar (I_cs) es de 1.367 W/m², con una desviación máxima de ±7 W/m².

      La figura 2.1 muestra la variación de la irradiancia solar con el tiempo. Esta variación depende de la actividad solar (ciclos solares) y de la distancia entre la Tierra y el Sol, que no es constante porque la órbita terrestre es elíptica.

      Figura 2.1. Irradiancia solar extraterrestre (fuera de la atmósfera). (Fuente: ACRIM - Active Cavity Radiometer Irradiance Monitor – http://www.acrim.com).

2.1.3 El espectro solar

      La energía que emite el Sol llega a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas que se desplazan por el espacio en todas las direcciones. Este efecto se llama radiación y hace referencia a un fenómeno físico vibratorio que se representa en forma de ondas. La cantidad de energía transportada por las ondas es proporcional a su frecuencia, que es el número de veces que la onda se repite completamente por unidad de tiempo. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía que transporta la onda. Las radiaciones electromagnéticas se propagan todas a una misma velocidad, 300.000 km/s en el vacío, distinguiéndose por su longitud de onda. La longitud de onda es la distancia entre dos puntos iguales de una onda, por ejemplo las crestas (figura 2.2).

      Figura 2.2. Longitud de onda.

      La radiación solar no llega únicamente en forma de luz visible: recibimos también radiación no visible para el ojo humano. La gama de radiaciones visibles para el ojo humano (espectro visible, figura n 2.3) abarca longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 0,38 y 0,78 μm (1μm = 1 micrómetro o micra = 1·10^-6 m). Es decir, dentro del espectro visible, las longitudes de onda menor y mayor corresponden a los colores violeta y rojo, respectivamente. Por lo tanto, la luz blanca del Sol que nosotros percibimos es, en realidad, la superposición de todos los colores. Con longitudes de onda mayores que la del rojo, están los infrarrojos, las microondas y las ondas de radio. Con longitudes de onda menores que la del violeta, están los ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.

      Figura 2.3. Espectro electromagnético.

      La figura 2.4 muestra la distribución espectral de la radiación solar extraterrestre. Esta gráfica se denomina espectro solar. La distribución de la radiación en el espectro solar, en función de la longitud de onda, es la que se indica en la tabla 2.1.

      Figura 2.4. Espectro de la radiación solar extraterrestre (Thekaekara-NASA, 1973).

      Tabla 2.1. Distribución del espectro de radiación solar que incide en la atmosfera extraterrestre (Thekaekara-NASA, 1973).

2.2 Influencia de la atmósfera

      La radiación solar recibida por la superficie de la Tierra es menor que la que llega a la parte alta de la atmósfera, debido a distintos procesos que tienen lugar durante su recorrido a través de la atmósfera. Esta interacción entre la radiación solar y la atmósfera terrestre es debida principalmente a tres fenómenos: difusión, absorción y reflexión.

       Difusión. También denominado dispersión, es la interacción, dependiente de la longitud de onda, de la radiación con un medio, que provoca un cambio de dirección en la radiación, conservando su energía total y su longitud de onda. Aunque la radiación solar viaja en línea recta, los gases atmosféricos, el vapor de agua y los aerosoles pueden desviarla.

       Absorción. Los gases de la atmósfera son absorbedores selectivos de radiación solar. El oxígeno y el ozono absorben las radiaciones de longitud de onda inferior a 0,29 μm, librándonos de la radiación ultravioleta más peligrosa para la salud. Por otro lado, el vapor de agua y el dióxido de carbono absorben principalmente las longitudes de onda situadas en el infrarrojo.

       Reflexión. La Tierra refleja una parte de la radiación solar que incide sobre ella. Se denomina albedo a la relación entre la radiación que cualquier superficie refleja y la que incide sobre la misma. Las superficies claras tienen un albedo mayor que las oscuras: por ejemplo, los albedos de las nubes y el hielo son mayores que los albedos de los bosques y los océanos. El albedo medio de la Tierra es del 31,3% aproximadamente. Procede en un 22,5% de la reflexión en las nubes y la difusión atmosférica, y en un 8,8% de la reflexión en la superficie terrestre.

      El efecto atenuante de la atmósfera en la radiación solar y su distribución en las distintas bandas de radiación se pone de manifiesto en la figura 2.5, en la que puede observarse el espectro de la radiación solar antes y después de la atmósfera.

      Figura 2.5. Influencia de la atmósfera en la radiación solar.

2.3 El balance energético en la Tierra

      Si se considera que la temperatura media de la Tierra se mantiene prácticamente constante con el tiempo, la cantidad total de energía que entra a causa de la radiación solar deberá ser igual a la cantidad de energía radiada hacia el espacio. La irradiancia solar interceptada por la Tierra en la parte exterior de la atmósfera es de 1.367 W/m² (constante solar). Toda la superficie terrestre emite energía (superficie de una esfera); por el contrario, la constante solar hace referencia a energía por unidad de superficie perpendicular a los rayos solares (superficie de un círculo).

      Esto significa que para efectuar el balance energético deberá considerarse una radiación solar incidente en la parte exterior de la atmósfera de 1.367/4 = 342 W/m² (ver figura 2.6 y tabla 2.2). El albedo es aproximadamente del 31,3%, por lo que se pierden hacia el espacio 0,313 x 342 = 107 W/m², aprovechándose la diferencia, es decir, 342 – 107 = 235 W/m². Pero si éste fuera el calor que realmente se absorbiera, la temperatura de equilibrio de la superficie