Replanteo y funcionamiento de instalaciones solares fotovoltáicas. ENAE0108. Ramón Guerrero Pérez
Siendo b el ángulo de inclinación del plano receptor con respecto a la superficie horizontal. Un caso particular es el ángulo zenital θz, que es el formado por la dirección de la radiación directa y la vertical del lugar:
cos θz = sin δ sin φ + cos δ cos φ cos ω
La irradiación extraterrestre horaria promedio mensual es Io, que se calcula con:
Io = (12 × 3600Gcs)/π Eo{cos φ cos δ (sin ω2 - sin ω1) + [2π (ω2 - ω1)/360] sinφ sinδ}
Donde ω1 y ω2 son los ángulos horarios al inicio y al final de la hora en consideración.
3.9. Comprobación de la respuesta de diversos materiales y tratamiento superficial frente a la radiación solar
En el diseño de instalaciones y sistemas fotovoltaicos también es muy importante conocer el comportamiento que tienen los materiales cuando la radiación solar incide sobre ellos, así como los tratamientos que se suelen aplicar a sus superficies para maximizar la captación de energía solar.
Absorbancia
Al incidir sobre los cuerpos una radiación, estos absorben parte de la misma y reflejan el resto (dependiendo de sus características superficiales). El cociente entre la radiación emitida y absorbida se denomina absorbancia (α):
α = (Radiación absorbida) / (Radiación incidente)
Aplicación práctica
Razone el significado de que un cuerpo presente una absorbancia α = 1. ¿Y una α = 0?
SOLUCIÓN
Un cuerpo con α = 1, por ejemplo un cuerpo negro mate perfecto, es capaz de absorber toda la radiación, ya que la Radiación absorbida es igual a la Radiación incidente (el cociente de dos términos iguales es 1).
Por otro lado, un cuerpo con una absorbancia α = 0 puede ser un espejo perfecto, ya que no absorbe nada de radiación (toda es reflejada, ya que la Radiación absorbida es 0).
Un cuerpo real nunca absorbe o refleja toda la radiación, por lo que el valor de la absorbancia suele estar comprendido entre 0,03 y 0,97.
Las temperaturas más altas son alcanzadas por superficies que presentan una absorbancia mayor, mientras que los cuerpos pulidos y transparentes que reflejan casi la totalidad de la radiación, se calentarán poco. En consecuencia, los elementos destinados a captar la energía solar serán de color negro mate, puesto que una superficie de este color es más eficiente para captar la radiación que reciba.
Emitancia
Además de la absorbancia, los cuerpos se caracterizan por el valor de la emitancia (E), que está relacionada con la capacidad de enfriamiento por radiación de un cuerpo. Una superficie de elevada absorbancia destinada a captar energía solar, al incidir la radiación, se calentará y emitirá una radiación proporcional a su emitancia.
Es evidente que, si se desean alcanzar altas temperaturas, es necesario disponer de superficies que tengan una alta absorbancia y una emitancia reducida.
Tratamiento superficial
Una superficie selectiva ideal es aquella que absorbe toda la radiación y no la emite. En algunos modelos de captadores, la superficie absorbedora negra recibe un tratamiento especial, denominado selectivo, con el propósito de reducir las pérdidas energéticas y mejorar el rendimiento del captador.
Este tipo de captador es el que se utiliza normalmente para la producción de agua caliente sanitaria y otras instalaciones que necesitan temperaturas de hasta 80 ºC.
Definición
Selectividad
Se denomina selectividad de una superficie al cociente entre la absorbancia y la emitancia:
Selectividad = α / E.
Materiales transparentes
Los materiales transparentes son los que permiten el paso de radiación electromagnética de determinadas longitudes de onda, y se caracterizan por su coeficiente de transmitancia (τ).
τ = (Radiación atravesada) / (Radiación incidente)
Es necesario tener en cuenta la radiación reflejada y absorbida, por lo que la transmitancia dependerá de estos factores.
El valor de τ depende del ángulo de incidencia de la radiación respecto a la superficie, aunque dicha variación es pequeña hasta que el ángulo alcance un valor de unos 60º (para el vidrio), a partir del cual la transmitancia disminuye rápidamente hasta valer 0 para un ángulo de 90º. De todo esto, se deduce que el vidrio dejará pasar eficientemente la radiación que provenga de un cono de 120º (60 + 60) de abertura:
La transmitancia disminuye proporcionalmente al índice de refracción (n), que es el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío (c) y la que tiene en dicho medio (c1):
n = c / c1
A efectos de aplicaciones de energía solar, conviene que el índice de refracción de los materiales transparentes sea lo más reducido posible, a fin de aumentar la eficacia de la transmisión y tener el mínimo de pérdidas por reflexión.
Datos de interés
A continuación, se muestran unas tablas con datos sobre emitancias, absorbancias e índices de refracción de ciertos materiales y compuestos selectivos. Las absorbancias se refieren a valores medios correspondientes entre 0,3 y 3 μm (1 μm = 0,000001 m). Las emitancias corresponden a temperaturas de unos 100 ºC.
| Absorbancias y emitancias de distintos materiales | ||
| Material | Absorbancia | Emitancia |
| Aluminio pulido | 0.1 | 0.1 |
| Aluminio anodizado | 0.14 | 0.77 |
| Hierro | 0.44 | 0.1 |
| Oro | 0.21 | 0.03 |
| Pintura acrílica de negro de humo | 0.94 | 0.83 |
| Pintura acrílica blanca | 0.25 | 0.9 |
| Índices de refracción de distintos materiales transparentes | |
| Vacío | 1 |
| Aire | 1.03 |
| Vidrio | 1.51 |
| Silicona | 4 |
| Diamante | 2.42 |
| Absorbancias y emitancias | |||
| Material | Absorbancia | Emitancia | Selectividad |
| “Níquel negro” (electrodeposición de níquel, zinc y otros materiales) | 0.91 | 0.12 | 7.58 |
| Óxido de cobre sobre aluminio (tratamiento químico) | 0.93 | 0.11 | 8.45 |
| Óxido de cobre sobre cobre (tratamiento químico) | 0.89 | 0.17 | 5.23 |
| Sulfuro de plomo sobre aluminio | 0.88 | 0.2 | 4.4 |
| Carbono | |||