Importancia de la medición de la radiación solar (página 2)
Enviado por Daniel Apolos Flores Salazar
El sol emite energía en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento, la radiación solar alcanza la superficie terrestre, oceánica y continental, que la refleja o la absorbe.
La radiación que finalmente llega a la superficie de la tierra se clasifica en:
Radiación directa: radiación que llega a la superficie de la tierra en forma de rayos provenientes del sol sin cambios de dirección.
Radiación difusa: componente de la radiación solar que al encontrar pequeñas partículas en su camino hacia la tierra, es difundida en todas las direcciones.
Radiación global: toda la radiación que llega a la tierra, resultado de la componente vertical de la radiación directa más la radiación difusa.
UNIDADES de Medida
Radiación solar global
Las cantidades de radiación son expresadas en términos de exposición radiante o irradiancia, siendo esta última una medida del flujo de energía recibida por unidad de área en forma instantánea como 
y cuya unidad es el W/m2 .
La exposición radiante es la medida de la radiación solar, en la cual la irradiancia es integrada en el tiempo como 
y cuya unidad es el (kWh/m2) por día.
Instrumentos de medida
Radiación solar
Para medir la radiación solar se utilizan radiómetros solares como los piranómetros o solarímetros y los pirheliómetros. Según sus características pueden servir para medir la radiación solar global (directa más difusa), la directa (procedente del rayo solar), la difusa, la neta y el brillo solar.
Importancia de la variable
La radiación solar es la energía emitida por el sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima.
Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en el sector de la agricultura o la ingeniería entre otros, destacándose el monitoreo del efecto en el crecimiento de las plantas, análisis de la evaporación e irrigación, arquitectura y diseño de edificios, generación de electricidad, diseño y uso de sistemas de calentamiento solar, implicaciones en la salud (p.e. cáncer de piel), modelos de predicción del tiempo y el clima y muchas aplicaciones más. Es por eso tomar en cuenta sus diferentes factores.
Factores que influyen en la cantidad de radiación solar
Los niveles de radiación en la superficie dependen de varios factores como son: la posición del sol, la altitud, la latitud, el cubrimiento de las nubes, la cantidad de ozono en la atmósfera y la reflexión terrestre.
Los niveles de radiación varían durante el día y a lo largo del año, presentándose los mayores niveles en el día cuando el sol se encuentra en su máxima elevación, esto es entre las 10 a.m. y las 2 p.m.(cerca del 60% de la radiación es recibida a estas horas), mientras que, cuando el ángulo del sol está más cercano al horizonte llega menos radiación a la superficie de la Tierra debido a que atraviesa una distancia más larga en la atmósfera y encuentra más moléculas de ozono, dando lugar a una mayor absorción. En zonas diferentes a los trópicos los máximos niveles se presentan en los meses de verano alrededor del mediodía.
La altitud también determina la cantidad de radiación que se recibe, debido a que en zonas de alta montaña el aire es más limpio y más delgada la capa atmosférica que deben recorrer los rayos solares, de manera que a mayor altitud mayor radiación. En promedio, por cada 1000 metros de incremento de la altitud, la radiación aumenta entre un 10% a un 12%. Las nubes pueden tener un impacto importante en la cantidad de radiación que recibe la superficie terrestre, generalmente las nubes densas bloquean más radiación que una nube delgada.
La radiación varía de acuerdo con la ubicación geográfica; sobre la zona ecuatorial los rayos solares caen más directamente que en las latitudes medias y la radiación solar resulta ser más intensa en esa área.
Las condiciones de lluvia también reducen la cantidad de radiación. La contaminación trabaja en forma similar que las nubes, de tal forma que la contaminación urbana reduce la cantidad de radiación que llega a la superficie de la tierra.
La cantidad de radiación, particularmente la ultravioleta, que llega a la superficie de un lugar, está inversamente relacionada con el ozono total: a menor cantidad de ozono mayor radiación UV ingresa a la superficie.
La radiación reflejada puede producir los mismos efectos que la radiación que llega a la superficie de la Tierra. La nieve es la superficie que más refleja radiación, alcanzando hasta un 80%, mientras que el concreto refleja hasta un 12%, la arena seca de playa el 15% y el agua de mar el 25%
Se puede concluir que para medir la Radiación Solar promedio deberemos de utilizar la Radiación total, recordando además tomar en cuenta, para los diferentes estudios que queramos llevar a cabo, los factores que influyen en los niveles de radiación para poder referenciar los datos estadísticas de ésta y sus variaciones diarias.
Importancia de la medición de la radiación solar y sus efectos sobre la salud
La exposición exagerada a la radiación solar puede ser perjudicial para la salud. Esto está agravado por el aumento de la expectativa de vida humana, que está llevando a toda la población mundial, a permanecer más tiempo expuesto a las radiaciones solares, con el riesgo mayor de cáncer de piel.
La radiación ultravioleta, es emitida por el Sol en longitudes de onda van aproximadamente desde los 150 nm (1500 Ãf…), hasta los 400 nm(4000 Ãf…), en las formas UV-A, UV-B y UV-C pero a causa de la absorción por parte de la atmósfera terrestre, el 99% de los rayos ultravioletas que llegan a la superficie de la Tierra son del tipo UV-A. Ello nos libra de la radiación ultravioleta más peligrosa para la salud. La atmósfera ejerce una fuerte absorción que impide que la atraviese toda radiación con longitud de onda inferior a 290 nm (2900 Ãf…). La radiación UV-C no llega a la tierra porque es absorbida por el oxígeno y el ozono de la atmósfera, por lo tanto no produce daño. La radiación UV-B es parcialmente absorbida por el ozono y llega a la superficie de la tierra, produciendo daño en la piel. Ello se ve agravado por el agujero de ozono que se produce en los polos del planeta.
Por esto precisamente la conveniencia de hacer las mediciones diarias de los rayos UV emitidas por la radiación solar, sobre todo en las zonas de mayor contaminación, puesto que estos rayos UV son directamente proporcionales a la contaminación, puesto que esta daña a la Capa de Ozono restándole fuerza para absorber los Rayos UV-B dando con esto la posibilidad de producir daño a la piel humana.
Es la radiación ultravioleta de menor longitud de onda (360 nm), lleva mucha energía e interfiere con los enlaces moleculares. Especialmente las de menos de 300 nm que pueden alterar las moléculas de ADN, muy importantes para la vida. Estas ondas son absorbidas por la parte alta de la atmósfera, especialmente por la capa de ozono. Es importante protegerse de este tipo de radiación ya que por su acción sobre el ADN está asociada con el cáncer de piel. Sólo las nubes tipo cúmulos de gran desarrollo vertical atenúan éstas radiaciones prácticamente a cero. El resto de las formaciones tales como cirrus, estratos y cúmulos de poco desarrollo vertical no las atenúan, por lo cual es importante la protección aún en días nublados. Es importante tener especial cuidado cuando se desarrollan nubes cúmulos, ya que éstas pueden llegar a actuar como espejos y difusores e incrementar las intensidades de los rayos ultravioleta y por consiguiente el riesgo solar. Algunas nubes tenues pueden tener el efecto de lupa.
Aplicaciones de la radiación solar
Entre las múltiples aplicaciones de la energía solar se encuentran su aprovechamiento como luz directa, como fuente de calor y en la generación de electricidad principalmente, a continuación se amplia cada uno de estos usos:
· Directa: Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación. Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.
· Térmica: La energía solar puede utilizarse para el calentamiento de algún sistema que posteriormente permitirá la climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, entre otros, son aplicaciones térmicas.
· Fotovoltaica: Es la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas (celda solar, auto solar), capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin necesariamente pasar por un efecto térmico. Para lograr esto la energía solar se recoge de una forma adecuada. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos.
Los sistemas de aprovechamiento térmico permiten que el calor recogido en los colectores pueda destinarse y satisfacer numerosas necesidades. Por ejemplo, se puede obtener agua caliente para consumo doméstico o industrial, o bien generar calefacción a casas, hoteles, colegios, fábricas, entre otros. Incluso se pueden climatizar las piscinas para permitir su uso durante gran parte del año en aquellos países donde se presentan las estaciones.
· Las aplicaciones agrícolas: son muy amplias con invernaderos solares pueden obtenerse mayores y más tempranas cosechas; los secaderos agrícolas consumen mucha menos energía si se combinan con un sistema solar, y, por citar otro ejemplo, pueden funcionar plantas de purificación o desalinización de aguas sin consumir ningún tipo de combustible. Las "células solares", dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes.
La electricidad que se obtiene de esta manera puede usarse de forma directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. Las células solares están hechas con obleas (láminas) finas de silicio, arseniuro de galio u otro.
· Hornos solares: Los hornos solares son una aplicación importante de los concentradores de alta temperatura. El mayor, situado en Odeillo, en la parte francesa de los Pirineos, tiene 9.600 reflectores con una superficie total de unos 1.900 m2 para producir temperaturas de hasta 4.000 °C. Estos hornos son ideales para investigaciones, por ejemplo, en la investigación de materiales, que requieren temperaturas altas en entornos libres de contaminantes.
· Enfriamiento solar: Se puede producir frío con el uso de energía solar como fuente de calor en un ciclo de enfriamiento por absorción. Uno de los componentes de los sistemas estándar de enfriamiento por absorción, llamado generador, necesita una fuente de calor.
En general, se requieren temperaturas superiores a 150 °C para que los dispositivos de absorción trabajen con eficacia, los colectores de concentración son más apropiados que los de placa plana.
Las celdas fotovoltaicas son placas fabricadas principalmente de silicio. Cuando al silicio se le añaden cantidades relativamente pequeñas de ciertos materiales con características muy particulares, obtiene propiedades eléctricas únicas en presencia de luz solar: los electrones son excitados por los fotones asociados a la luz y se mueven a través del silicio produciendo una corriente eléctrica; este efecto es conocido como fotovoltaico. La eficiencia de conversión de estos sistemas es de alrededor de 15%, por lo que un metro cuadrado puede proveer aproximadamente entre unos 150 Watts.
Es por estas aplicaciones que debemos tomar muy en serio la obtención de los datos de la Radiación Solar, sobre todo en los lugares en que pensamos hacer estas aplicaciones, ya sea para tener elementos y proveer datos que nos ayuden a informar sobre el aumento de los Rayos UV y sus efectos sobre la salud, registrar las Cantidades de Radiación Solar y calcular su aplicación en la generación de electricidad, calor y su importancia en cantidad necesaria en los requerimientos agrícolas, desde luego en combinación con los datos climatológicos.
Efectos de las variables de la radiación solar sobre las plantas y las acciones del hombre para modificarlos
Radiación solar.
Con sus tres parámetros de intensidad, duración y calidad, influye sobre la actividad fotosintética de la planta determinando en su crecimiento y su desarrollo.
Indirectamente acciona sobre otras variables cambiando sus efectos.
El hombre es capaz de modificar los niveles de intensidad solar que reciben algunas plantaciones utilizando cobertores en el tabaco tapado, las casas de cultivo etc.
También se trabaja con el calendario agrícola ya que es conocido que existen diferencias notables en la radiación solar durante los meses del año.
Temperatura del aire y del suelo.
La temperatura del suelo acelera o retarda procesos de germinación y/o crecimiento de raíces y surte efecto sobre otras variables como la evapotranspiración y los niveles de humedad. El hombre acciona sobre esta variable con el laboreo y utilizando los horarios y épocas del año mas convenientes a sus intereses agrícolas.
La temperatura del aire puede influir sobre la apertura y cierre de los estomas en el proceso de transpiración de la planta.
Ambas temperaturas del aire y el suelo, asociadas a la humedad relativa pueden constituir factores desencadenantes de plagas y enfermedades cuando alcanzan niveles propicios para el desarrollo de esos patógenos.
Evapotranspiración.
Esta variable, constituida por la evaporación del agua y la transpiración de la planta, cambia por la acción de otras como la radiación solar, la temperatura, la humedad del aire, la velación del viento etc.
Su efecto sobre la planta es en lo fundamental sobre el equilibrio hídrico.
El hombre la modifica con el riego, la variación de marcos de plantación y otras medidas.
Y todo esto es posible por el conocimiento de las cantidades de Radiación Solar llegadas a la superficie específica en estudio, y con la modificación por parte de la intervención del hombre , se podrá aprovechar en forma eficiente, como lo vimos anteriormente, la utilización de la Radiación Solar.
Por último y no menos importante, debemos de decir que la importancia de analizar y obtener datos de la multicitada Radiación Solar, serán de gran ayuda para obtener las siguientes tipos de energías.
Energía Solar Térmica
Un sistema de aprovechamiento de la energía solar muy extendido es el térmico. El medio para conseguir este aporte de temperatura se hace por medio de colectores.
El colector es una superficie, que expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido.
Existen tres técnicas diferentes entre sí en función de la temperatura que puede alcanzar la superficie captadora.
De esta manera, los podemos clasificar como:
Baja temperatura, captación directa, la temperatura del fluido es por debajo del punto de ebullición.
Media temperatura, captación de bajo índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 100 ºC.
Alta temperatura, captación de alto índice de concentración, la temperatura del fluido es más elevada de 300 ºC.
Energía Solar Fotovoltaica
El sistema de aprovechamiento de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denomina conversión fotovoltaica.
Las células solares están fabricadas de unos materiales con unas propiedades específicas, denominados semiconductores.
Para entender el funcionamiento de una célula solar, debemos de entender las propiedades de estos semiconductores.
Conclusiones
La radiación solar es la energía emitida por el sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima.
Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en el sector de la agricultura o la ingeniería entre otros, destacándose el monitoreo del efecto en el crecimiento de las plantas, análisis de la evaporación e irrigación, arquitectura y diseño de edificios, generación de electricidad, diseño y uso de sistemas de calentamiento solar, implicaciones en la salud (p.e. cáncer de piel), modelos de predicción del tiempo y el clima y muchas aplicaciones más. Es por eso tomar en cuenta sus diferentes factores.
Bibliografía
Enviromental Protection Agency, Aire y Radiación (6205j), "El Sol, la radiación ultavioleta y usted", EPA-430-K-01-009, Septiembre 2001.
Energías renovables aproximación a su estudio, ; Ordad Oviedo, F. Salamanca : Amarú Ediciones, 1993, Temas.- ENERGIA SOLAR · RADIACION SOLAR · ENERGIA EOLICA · ENERGIA HIDRAULICA · CENTRALES HIDROELECTRICAS · RECURSOS ENERGETICOS · ENERGIAS ALTERNATIVAS
Así funcionaba el sol, Tignanelli, Horacio, Buenos Aires : Colihue, 1992, Temas.- ASTRONOMIA · CIENCIAS DE LA TIERRA · CIENCIAS ESPACIALES · ESPACIO · CUERPOS Y SISTEMAS ASTRONOMICOS · SISTEMA SOLAR · RADIACION SOLAR · DIVULGACION CIENTIFICA · INFORMACION CIENTIFICA.
Tratado de fitotecnia general, Urbano Terron, P., 2ª ed. aum. y rev., Temas.- RADIACION SOLAR · AGRICULTURA · MEJORAMIENTO DEL SUELO · CULTIVOS · RIEGO · INGENIERIA AGRICOLA · SISTEMAS DE RIEGO
Autor:
Daniel Apolos Flores Salazar
Encargado del laboratorio de topografía y geofísica de la facultad de ingeniería de la BUAP
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