Importancia de la medición de la radiación solar (página 2)

 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

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  CIENCIAS ESPACIALES ·
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  CUERPOS Y SISTEMAS ASTRONOMICOS ·
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  AGRICULTURA ·
  MEJORAMIENTO DEL SUELO ·
  CULTIVOS ·
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Autor:

Daniel Apolos Flores
Salazar

Encargado del laboratorio de
topografía y geofísica de la
facultad de ingeniería de la BUAP