El Recurso Solar y Geometría Celeste

El Espectro Electromagnético y la Constante Solar

El sol es un reactor de fusión nuclear a 150 millones de kilómetros de distancia que emite energía en forma de radiación electromagnética. Esta radiación viaja a través del espacio como ondas con diferentes longitudes (desde rayos gamma y ultravioleta hasta ondas de radio), pero solo una fracción de este espectro es útil para la fotovoltaica: principalmente luz visible (400-700 nm) y infrarrojo cercano (700-1100 nm).

La Constante Solar es la intensidad de radiación que llega al borde superior de la atmósfera terrestre, perpendicular a los rayos del sol. Su valor es:

Esto significa que cada metro cuadrado de superficie perpendicular al sol, fuera de la atmósfera, recibe 1,361 watts de potencia. Sin embargo, al atravesar la atmósfera, esta energía se reduce debido a:

• Absorción: Ozono, vapor de agua y CO₂ absorben ciertas longitudes de onda.
• Dispersión (Scattering): Moléculas de aire y partículas dispersan luz (esto produce el cielo azul).
• Reflexión: Nubes reflejan parte de la radiación de vuelta al espacio.

En un día despejado, al nivel del mar, la irradiancia máxima que llega a la superficie terrestre es aproximadamente 1,000 W/m² (llamado condiciones de STC: Standard Test Conditions). Esto es lo que asumimos al calcular la potencia pico de un panel.

Irradiancia (W/m²) vs Irradiación (kWh/m²/día)

Estos dos términos suenan similares, pero es crítico entender la diferencia:

Irradiancia (G)

Es la potencia por unidad de área que llega a una superficie en un instante dado. Se mide en W/m² (Watts por metro cuadrado). Es análoga a la velocidad de un auto.

Ejemplo: A las 12:00 PM en un día soleado, un piranómetro (medidor de irradiancia) puede registrar 950 W/m².

Irradiación (H)

Es la energía acumulada por unidad de área durante un periodo de tiempo. Se mide en kWh/m²/día o kWh/m²/año. Es análoga a la distancia recorrida.

Ejemplo: Si durante un día completo, la irradiancia promedio ponderada es de 208 W/m² durante 24 horas, la irradiación diaria es:

Tipos de Radiación: GHI, DNI y DHI

Cuando medimos radiación solar, existen tres componentes principales:

1. GHI (Global Horizontal Irradiance)

Irradiancia Global Horizontal: Es la suma total de toda la radiación (directa + difusa) que llega a una superficie horizontal. Es el dato más comúnmente reportado en bases de datos meteorológicas (TMY, NSRDB). Se usa para dimensionar sistemas solares en techos planos o con seguimiento.

Fórmula: GHI = DNI × cos(θ) + DHI

2. DNI (Direct Normal Irradiance)

Irradiancia Directa Normal: Es la radiación que llega directamente del disco solar a una superficie perpendicular a los rayos del sol. Excluye luz difusa. Es importante para tecnologías de concentración solar (CSP) y sistemas con seguimiento solar de dos ejes.

DNI es máximo en zonas desérticas con cielos despejados (ej: Mojave Desert, California: 7-8 kWh/m²/día).

3. DHI (Diffuse Horizontal Irradiance)

Irradiancia Difusa Horizontal: Es la radiación dispersada por la atmósfera (nubes, partículas) que llega desde todas las direcciones del cielo. En días nublados, casi toda la radiación es difusa.

Los paneles solares capturan tanto DNI como DHI, pero la eficiencia es mayor con radiación directa porque los fotones tienen más energía (menos dispersión).

Geometría Solar: Declinación, Acimut y Altitud

Para diseñar un sistema solar, necesitas entender cómo se mueve el sol en el cielo a lo largo del día y del año. Esto se describe con tres ángulos principales:

1. Declinación Solar (δ)

Es el ángulo entre el plano ecuatorial terrestre y la línea que une la Tierra con el sol. Varía entre -23.45° (21 de diciembre, solsticio de invierno en hemisferio norte) y +23.45° (21 de junio, solsticio de verano en hemisferio norte).

Fórmula aproximada:

Ejemplo: El 21 de marzo (equinoccio de primavera), δ ≈ 0°. El sol está directamente sobre el ecuador.

2. Altitud Solar (α)

Es el ángulo entre el horizonte y el sol. Varía desde 0° (amanecer/atardecer) hasta un máximo al mediodía solar. Depende de la latitud del sitio, la declinación y la hora del día.

Fórmula al mediodía solar:

Ejemplo: En Miami (latitud 25.8°N) el 21 de junio (δ = +23.45°):

3. Acimut Solar (γ)

Es el ángulo horizontal entre el norte y la proyección del sol en el plano horizontal. Se mide desde el norte en sentido horario: 0° = Norte, 90° = Este, 180° = Sur, 270° = Oeste.

El sol sale por el este (acimut ≈ 90°) y se pone por el oeste (acimut ≈ 270°). Al mediodía solar, el acimut es 180° (sur) en el hemisferio norte.

Hora Sol Pico (HSP): El Concepto Clave para Dimensionamiento

Hora Sol Pico (HSP) es el número de horas equivalentes durante las cuales la irradiancia es de 1,000 W/m². Es una forma simplificada de expresar la irradiación diaria.

Fórmula:

Ejemplo: Si un sitio tiene una irradiación promedio de 5.5 kWh/m²/día, entonces HSP = 5.5 horas.

¿Por qué es útil HSP?

Porque permite calcular la energía diaria de un sistema solar de forma directa:

Ejemplo: Un sistema de 10 kW en una ubicación con HSP = 5 horas y factor de pérdidas = 0.85:

En un año (365 días):

Datos TMY (Typical Meteorological Year)

Los Typical Meteorological Year (TMY) son conjuntos de datos horarios que representan condiciones climáticas "típicas" en una ubicación, compilados a partir de 10-30 años de mediciones reales. Incluyen:

• GHI, DNI, DHI (irradiancia)
• Temperatura ambiente
• Velocidad del viento
• Humedad relativa
• Presión atmosférica

Fuentes de datos TMY:

• NSRDB (National Solar Radiation Database): Base de datos oficial de NREL para EE.UU. Acceso gratuito en nsrdb.nrel.gov.
• PVsyst Meteo: Base global incluida en software PVsyst.
• NASA POWER: Datos satelitales globales en power.larc.nasa.gov.

Estos datos se usan en software de simulación (PVsyst, SAM, HelioScope) para predecir con precisión la generación anual de un sistema solar.

Movimiento Estacional y Diseño de Sombras

El movimiento del sol varía drásticamente entre estaciones debido a la declinación solar:

Solsticio de Verano (21 de junio, hemisferio norte)

• Sol alcanza máxima altitud al mediodía.
• Sale muy al noreste, se pone muy al noroeste.
• Días más largos (hasta 14-15 horas en latitudes medias).
• Implicación: Mayor generación solar, pero también mayor riesgo de sobrecalentamiento de paneles.

Solsticio de Invierno (21 de diciembre, hemisferio norte)

• Sol alcanza mínima altitud al mediodía.
• Sale al sureste, se pone al suroeste.
• Días más cortos (hasta 9-10 horas en latitudes medias).
• Implicación: Menor generación, pero paneles trabajan más eficientemente por bajas temperaturas.

Análisis de Sombras

Las sombras proyectadas por edificios, árboles o chimeneas cambian a lo largo del año. El solsticio de invierno es el día crítico porque el sol está más bajo y las sombras son más largas. Si un panel está libre de sombras el 21 de diciembre, estará libre el resto del año.

Herramientas para análisis de sombras:

• Solmetric SunEye: Dispositivo portátil que captura panorama de sitio y predice sombras.
• Aurora Solar: Software que usa imágenes satelitales y modelo 3D.
• PVsyst: Simulación de sombras por objetos 3D.

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