2. Unidad Didactica Energia Solar Termica y Pasiva

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Unidad 2

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  • FORMACIN DISTANCIA UNIDAD DIDCTICA ENERGA SOLAR, TRMICA Y PASIVA

  • 2

    1. EL SOL Y LA RADIACION SOLAR

    El sol es un inmenso reactor de fusin termonuclear que quema cada segundo 600 millones de

    toneladas de hidrgeno a 20 millones de grados Kelvin irradiando (64070kw).

    Es necesario tener en cuenta el movimiento del sol y su geometra para conocer el

    comportamiento de la radiacin solar que llega a la superficie.

    La orientacin del sol depende de la poca en la que nos encontremos. El motivo se encuentra

    en la elptica, concepto que indica que el eje terrestre est inclinado con respecto al plano de su

    traslacin alrededor del sol un ngulo de 23,45

    FIGURA 6. MOVIMIENTO DE LA TIERRA RESPECTO AL SOL

    Desde una perspectiva geocntrica, el Sol describe un arco sobre el cielo desde su salida

    (orto) por el este, hasta su puesta (ocaso) por el oeste.

  • 3

    A medioda se encuentra justo sobre el meridiano y ocupa la posicin ms alta (en verano

    los rayos son ms perpendiculares, sol ms alto, a las superficies horizontales).

    FIGURA 7. MOVIMIENTO SOL EN VERANO Y EN INVIERNO

    1.Hora solar: desfase oficial en grados con respecto al meridiano de referencia.

    hora solar= hora solar local + 4(min/ ) (Lref - Lloc ) + D t

    D t se conoce como la ecuacin del tiempo e incluye la variacin del medioda solar con la

    poca del ao.

    Dt (min) = 9,87 sen 2B - 7,83cos B -1,5 sen B

    B =360(J - 81) 364 J es el da juliano

    - LRef es la longitud geogrfica de referencia en grados.

    - Lloc es la longitud del meridiano local en grados.

    2. El ngulo horario solar (w): es el desplazamiento del Sol sobre el plano de su trayectoria.

    Se toma como origen el medioda solar y valores crecientes segn su desplazamiento.

    W = (hora solar -12h) 15 S

  • 4

    4. La declinacin solar (): es la posicin angular del Sol al medioda solar respecto al Ecuador

    terrestre.

    d = 23,45 sen[360 ((284 + J)/365) ] donde

    S = -23,45 para el solsticio de invierno

    S = 23,45 para el solsticio de verano.

    5. Altura solar (h): mide el ngulo que forma el Sol con el plano del horizonte. El ngulo

    complementario se llama ngulo cenital.

    6. Azimut solar (aS): es el ngulo que forma la luz solar directa con el meridiano del

    observador. Se toma como origen el medioda solar y los valores son crecientes de sur a norte.

    La superficie terrestre recibe solo una parte de la radiacin solar incidente en el lmite superior

    de la atmsfera.

    La radiacin solar que ha atravesado la atmsfera, pueden definirse:

  • 5

    - La irradiancia solar directa (B) Directa es aquella que llega al cuerpo desde la direccin del

    Sol.

    - La irradiancia solar difusa (D) es aquella cuya direccin ha sido modificada por diversas

    circunstancias (densidad atmosfrica, partculas u objetos con los que choca, reemisiones de

    cuerpos, etc.). Por sus caractersticas esta luz se considera venida de todas direcciones

    - La radiacin solar global (G) como la potencia total recibida por una superficie procedente

    de las componentes directa, difusa y la irradiancia reflejada por el entorno cercano (R).

    Podemos relacionar estas magnitudes mediante la siguiente relacin:

    G = B + D + R

    1

    FIGURA 8. RADIACIN TOTAL

    2. ENERGA Y CAMBIO CLIMTICO

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    Se llama cambio climtico a la modificacin del clima con respecto al historial climtico a una

    escala global o regional. Tales cambios se producen a muy diversas escalas de tiempo y sobre

    todos los parmetros meteorolgicos: temperatura, presin atmosfrica, precipitaciones,

    nubosidad, etc. En teora, son debidos tanto a causas naturales (Crowley y North, 1988) como

    antropognicas (Oreskes, 2004).

    El trmino suele usarse de forma poco apropiada, para hacer referencia tan slo a los cambios

    climticos que suceden en el presente, utilizndolo como sinnimo de calentamiento global. La

    Convencin Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climtico usa el trmino cambio

    climtico slo para referirse al cambio por causas humanas:

    Por "cambio climtico" se entiende un cambio de clima atribuido directa o indirectamente a la

    actividad humana que altera la composicin de la atmsfera mundial y que se suma a la

    variabilidad natural del clima observada durante perodos comparables.

    Como se produce constantemente por causas naturales se lo denomina tambin variabilidad

    natural del clima. En algunos casos, para referirse al cambio de origen humano se usa tambin

    la expresin cambio climtico antropognico. Adems del calentamiento global, el cambio

    climtico implica cambios en otras variables como las lluvias y sus patrones, la cobertura de

    nubes y todos los dems elementos del sistema atmosfrico. La complejidad del problema y sus

    mltiples interacciones hacen que la nica manera de evaluar estos cambios sea mediante el

    uso de modelos computacionales que simulan la fsica de la atmsfera y de los ocanos. La

    naturaleza catica de estos modelos hace que en s tengan una alta proporcin de

    incertidumbre (Stainforth et l., 2005) (Roe y Baker, 2007), aunque eso no es bice para que sean

    capaces de prever cambios significativos futuros (Schnellhuber, 2008) (Knutti y Hegerl, 2008)

    que tengan consecuencias tanto econmicas (Stern, 2008) como las ya observables a nivel

    biolgico (Walther et l., 2002)(Hughes, 2001).

    2.1 CAUSAS DE LOS CAMBIOS CLIMTICOS

  • 7

    El clima es un promedio, a una escala de tiempo dada, del tiempo atmosfrico. Los distintos

    tipos climticos y su localizacin en la superficie terrestre obedecen a ciertos factores, siendo los

    principales, la latitud geogrfica, la altitud, la distancia al mar, la orientacin del relieve terrestre

    con respecto a la insolacin y a la direccin de los vientos y por ltimo, las corrientes marinas.

    Estos factores y sus variaciones en el tiempo producen cambios en los principales elementos

    constituyentes del clima que tambin son cinco: temperatura atmosfrica, presin atmosfrica,

    vientos, humedad y precipitaciones.

    Pero existen fluctuaciones considerables en estos elementos a lo largo del tiempo, tanto

    mayores cuanto mayor sea el perodo de tiempo considerado. Estas fluctuaciones ocurren tanto

    en el tiempo como en el espacio. Un cambio en la emisin de radiaciones solares, en la

    composicin de la atmsfera, en la disposicin de los continentes, en las corrientes marinas o en

    la rbita de la Tierra puede modificar la distribucin de energa y el equilibrio trmico, alterando

    as profundamente el clima cuando se trata de procesos de larga duracin.

    Variaciones solares

    El Sol es una estrella que presenta ciclos de actividad de once aos. Ha tenido perodos en los

    cuales no presenta manchas solares, como el mnimo de Maunder que fue de 1645 a 1715 en los

    cuales se produjo una mini era de Hielo.

    La temperatura media de la Tierra depende, en gran medida, del flujo de radiacin solar que

    recibe. Sin embargo, debido a que ese aporte de energa apenas vara en el tiempo, no se

    considera que sea una contribucin importante para la variabilidad climtica a corto plazo

    (Crowley y North, 1988).

    Sin embargo, muchos astrofsicos consideran que la influencia del Sol sobre el clima est ms

    relacionado con la longitud de cada ciclo, la amplitud del mismo, la cantidad de manchas

    solares, la profundidad de cada mnimo solar, y la ocurrencia de dobles mnimos solares

    separados por pocos aos. Sera la variacin en los campos magnticos y la variabilidad en el

    viento solar (y su influencia sobre los rayos csmicos que llegan a la tierra) quienes tienen una

    fuerte accin sobre distintos componentes del clima como las diversas oscilaciones ocenicas,

    los eventos el Nio y La Nia, las corrientes de chorro polares, la Oscilacin cuasi bianual de la

    corriente estratosfrica sobre el ecuador, etc. Por otro lado, a largo plazo las variaciones se

    hacen apreciables ya que el Sol aumenta su luminosidad a razn de un 10 % cada 1.000

  • 8

    millones de aos. Debido a este fenmeno, en la Tierra primitiva que sustent el nacimiento de

    la vida, hace 3.800 millones de aos, el brillo del Sol era un 70 % del actual.

    Variaciones orbitales

    La rbita terrestre oscila peridicamente, haciendo que la cantidad media de radiacin que

    recibe cada hemisferio flucte a lo largo del tiempo, y estas variaciones provocan las

    pulsaciones glaciares a modo de veranos e inviernos de largo perodo. Son los llamados

    perodos glaciales e interglaciales. Hay tres factores que contribuyen a modificar las

    caractersticas orbitales haciendo que la insolacin media en uno y otro hemisferio vare aunque

    no lo haga el flujo de radiacin global. Se trata de la precesin de los equinoccios, la

    excentricidad orbital y la oblicuidad de la rbita o inclinacin del eje terrestre.

    FGURA 9. RANGO DE VARIACIN EN LA OBLICUIDAD DE LA TIERRA

    Impactos de meteoritos

    El ltimo acontecimiento catastrfico sucedi hace 65 millones de aos. Se trata de los

    impactos de meteoritos de gran tamao. Es indudable que tales fenmenos pueden provocar

    un efecto devastador so