La Tierra es un planeta pequeño en la órbita de una estrella, el Sol, que resulta fundamental para nuestra existencia y que, aunque corriente en la inmensidad del universo.

Mayoritariamente toda la energía que llega a la tierra proviene del Sol y es la causa de la evaporación de las aguas superficiales, las corrientes de aire, la formación de nubes, la lluvia y por tanto el origen de todas las formas de energía renovable (energía eólica, biomasa, las olas, …). El Sol es la principal fuente de energía para todos los procesos que tienen lugar en nuestro planeta, su calor y su luz son la base de numerosas reacciones químicas indispensables para el desarrollo de las plantas, los animales, … en definitiva, para que pueda haber vida sobre la Tierra.

El Sol, formado por gas a muy alta temperatura, está a una distancia media de 150 millones de kilómetros y tiene un radio de 109 veces el de la Tierra. En el núcleo del Sol se produce las reacciones atómicas de fusión nuclear que transforman el hidrógeno en helio. Durante ese proceso se libera gran cantidad de energía que sale hasta la superficie visible del Sol (fotosfera) y escapa en forma de rayos solares al espacio exterior. Se calcula que en el interior del Sol se queman cada segundo unos 700 millones de toneladas de hidrógeno, de las que 4,3 millones se transforman en energía. Una parte importante de esta energía se emite a través de los rayos solares al resto de planetas, lunas, asteroides y cometas que componen nuestro sistema solar.

En el caso que nos ocupa, hasta la Tierra, llega una cantidad de energía solar equivalente a 1,7×1014 kW, lo que representa la potencia correspondiente a 170 millones de reactores nucleares de 1.000 MW de potencia eléctrica unitaria, o lo que es lo mismo, 10.000 veces el consumo energético mundial.  Las previsiones apuntan a que para los próximos 6.000 millones de años, el Sol tan solo consumirá el 10% hidrógeno que contiene en su interior, es decir, es una fuente de energía gratuita, asequible, respetuosa con el medio ambiente y para un periodo de tiempo prácticamente ilimitado.  Es importante tener en cuenta que la luz, es una de las formas que adopta la energía para trasladarse de un lugar a otro. En el caso del Sol, los rayos solares se propagan a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas de energía. Este fenómeno físico, conocido como radiación solar, es el responsable de que nuestro planeta reciba el aporte energético continuo de aproximadamente 1.367 W/m², valor que recibe el nombre de “constante solar” (en un año equivale a 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles del mundo).

No toda la radiación que llega hasta la Tierra sobrepasa las capas altas de la atmósfera. Los rayos solares que llegan a la atmósfera, sufren dispersiones causadas por las moléculas de vapor de agua y de aire y por el polvo atmosférico, por lo que parte de los fotones que viajaban en línea recta, cambian su dirección. Una tercera parte de la energía solar interceptada por la Tierra vuelve al espacio exterior, mientras que las dos terceras partes restantes penetran hasta la superficie terrestre. La suma de esta radiación difusa, más la radiación directa, mas la reflejada por otros objetos, también denominada, radiación de albedo, es la radiación solar global máxima que realmente llega a una superficie.

Radiación solar global = Directa + Difusa + Reflejada ≈ W/m² ∙ día

Como hemos explicado, la radiación solar es la energía electromagnética emitida por la fusión del hidrógeno contenido en el sol. La intensidad y la distribución espectral de la radiación solar que llega a la superficie terrestre dependen de la composición de la atmósfera.

Para tener en cuenta los efectos de la atmósfera, se ha definido la masa de aire AM1 igual a 1 (Air Mass One), que representa el espesor estándar de la atmósfera atravesado perpendicularmente a la superficie terrestre, y medido a nivel del mar. Masa de aire fuera de la atmósfera: AM = 0, con un ángulo de elevación solar HS igual a 90° (ángulo entre la línea del Sol y el plano horizontal): AM = 1 Con HS igual a 42°: AM = 1,5 (es este AM que se considera en las pruebas de laboratorio de los módulos fotovoltaicos, para la definición de la potencia nominal).

Por otro lado, la Irradiancia Solar, es la energía radiante por unidad de tiempo, que inciden por unidad de superficie sobre un plano dado. También se conoce como la potencia radiante y se expresa en W/m². Se define Irradiación Solar a la energía incidente por unidad de superficie sobre un plano dado, obtenida por integración de la irradiancia durante un intervalo de tiempo dado, normalmente una hora o un día. Se expresa en MJ/m² o kWh/m. A nivel del mar la energía solar se encuentra dentro del intervalo de longitud de onda de 200 a 2500 nano metros, y su intensidad máxima está comprendida entre 500 y 550 nanómetros, aunque la zona útil para las células fotovoltaicas de silicio cristalino empieza en 350 nanómetros y comprende todo el infrarrojo.

200 – 380 nanómetros = ultravioleta (6,4% de la energía total comprendida en el espectro)
380 – 780 nanómetros = visible (48%)
780 – 10.000 nanómetros = infrarrojo (45,6%)

La intensidad de la radiación solar en la superficie terrestre depende del ángulo de inclinación de la radiación, cuanto menor es el ángulo que los rayos del sol forman con una superficie horizontal, menor es la radiación que llega a la superficie.
Estos son los conceptos astronómicos por los que el ángulo varía:

LATITUD Y LONGITUD

Para localizar un punto en la superficie terrestre es necesario dos coordenadas.  La Longitud que es la distancia medida en grados, desde el punto hasta el meridiano 0° (Greenwich). Si se especifica longitud E, es al Este de Greenwich y si se específica longitud O, es al oeste de Greenwich. La Latitud que es la distancia también en grados, desde el punto hasta el paralelo del Ecuador. Si latitud N hablamos del Hemisferio Norte y latitud S del Hemisferio Sur.

ROTACIÓN Y TRASLACIÓN

El movimiento de Rotación se realiza con el movimiento de Tierra que gira sobre sí misma con el eje inclinado, dando una vuelta completa de Oeste a Este, cada 24 h (23 h y 56 min). El ángulo formado por el eje de rotación y el plano de la eclíptica, permanece constante a lo largo del año y su inclinación es de 23,5°. El ángulo de inclinación entre la línea Sol Tierra y el ecuador terrestre, se llama declinación solar y su valor varía a lo largo del año, de 23,45° (21 de junio), a – 23,45° (21 de diciembre), pasando por cero en los equinoccios de primavera y de otoño. Esto hace que los rayos del Sol lleguen con distinta inclinación según el momento del año, calentando la Tierra con distinta intensidad y generando las distintas estaciones.

Las estaciones no tienen la misma duración, ya que la órbita de la Tierra es elíptica y recorre su trayectoria alrededor del Sol con una velocidad variable. Va más deprisa cuanto más cerca está del Sol (perihelio) y más lento cuanto más alejada está (afelio). A la vez que gira sobre sí misma, la tierra gira alrededor del Sol, movimiento de Traslación, tarda 365 días 5 horas 48 minutos y 46 segundos en dar una vuelta completa. El camino que recorre la Tierra alrededor del Sol se denomina órbita, y el plano que describe la órbita terrestre alrededor del Sol, es el plano de la elíptica. El Sol no está exactamente en el centro, tiene una pequeña excentricidad.

La posición del Sol en cada instante respecto a una posición o punto de observación en la superficie terrestre viene definida por dos coordenadas: altura solar y azimut solar.

La Altura Solar,α, es el ángulo que forma la línea que une el centro del Sol con el punto de observación y la superficie horizontal y podemos establecer que la altura solar varía durante el día. El Sol sale muy bajo y sobre el horizonte, alcanza la altura máxima al mediodía, para volver a esconderse a la tarde. Del mismo modo, cada día del año el Sol alcanza una altura máxima diferente. El Azimut Solar,ψ, es el ángulo que forma la proyección horizontal de la línea que une el centro del Sol con el meridiano del lugar (dirección Norte-Sur) con origen en el Sur. Los gráficos del recorrido del Sol, pueden ser trazados en diagramas. Cada latitud tendrá su propio diagrama y nos permiten el cálculo de la posición del sol en el cielo para cada lugar de la tierra. Esta herramienta es la que se usa para el cálculo de las sombras.

Diagrama de Coordenadas Cartesianas la elevación del Sol se traza sobre el eje X y el acimut se traza a lo largo del eje Y.

Diagrama de Coordenadas Polares o Esteriográfico: se basan en círculos concéntricos donde la elevación solar se lee en varios círculos concéntricos, donde el radio representa la Altura Solar y los ángulos el Azimut que se mide desde el Sur (0°) al Norte (180°). Sobre este sistema de coordenadas se representan los meses y las horas en función de la Altura Solar y el Azimut para una determinada latitud. La intersección entre la curva de la fecha (día 21 de cada mes) y el punto de la hora solar real, nos indica la Altura Solar en los círculos concéntricos y el Azimut del orto y el ocaso en el borde de la carta.

Conocer la radiación nos permite evaluar la energía solar incidente en nuestra instalación, a qué horas funcionará a máxima potencia, como sacar el mejor provecho, etc. La radiación solar instantánea (irradiancia) es muy importante a la hora de poder evaluar lo que está pasando en un momento determinado en una instalación que está en funcionamiento. Pero a la hora de poder evaluar la energía que producirá un sistema, o cuando tenemos que hacer los cálculos para dimensionarlo, lo que necesitamos es saber la cantidad de energía que esta radiación aporta durante un periodo de tiempo concreto o de irradiación.

La obtención de la información contenida en las tablas de radiación es una tarea laboriosa, ya que se necesitan medidas de calidad durante muchos años (más de 10 años) y un trabajo posterior de validación y de correlaciones matemáticas para poder extrapolar los datos en el territorio y en diferentes orientaciones e inclinaciones.

Otro valor de uso normalizado y muy útil para los cálculos referidos a la radiación incidente en una lugar, es la “Hora Sol Pico” (HSP). Es un dato que vendría a expresar las horas de luz solar al día con una intensidad fija de 1.000 W/m² que producirían la misma energía que el día medio del día elegido (aunque sabemos que, en realidad, el Sol varía de intensidad continuamente durante el día).

Los módulos fotovoltaicos expresan la potencia con radiación 1.000 W/m² (CEM). Los datos de la radiación incidente de las tablas, vienen referidos en MJ/m² ∙ día, por lo que multiplicaremos por 0,27 kWh/MJ para pasar a kWh/m² ∙ día. Una vez disponemos de la radiación en kWh/m² ∙ día, lo dividiremos por el valor de la radiación CEM (1kW/m²) y obtenemos el valor de horas pico equivalentes. EL valor de las HSP es la radiación solar en kWh/m² ∙ día.

INCLINACIÓN Y SOMBRAS

Por cuestiones de adaptación arquitectónica, los paneles suelen estar situados en las cubiertas, aunque no sea la zona más próxima al sistema de acumulación o de contadores de energía. Por cuestiones de seguridad y de integración arquitectónica, se determinará la cubierta de las edificaciones como zona de ubicación de los paneles fotovoltaicos. La cubierta es un elemento estructural de la edificación del que debemos conocer básicamente cuatro parámetros: la superficie disponible, la orientación, la carga estructural que puede soportar y la incidencia de sombras que puede tener. Estos elementos condicionarán la disposición de los paneles solares y los sistemas de anclaje.

La superficie disponible quedará determinada por el espacio de la cubierta en la que la propiedad determine ubicar los paneles. Habrá que procurar que esta superficie sea un espacio de fácil acceso para las operaciones de mantenimiento, a la vez que este espacio deberá estar protegido de actos vandálicos o de caída de objetos. En ningún caso, no se puede infringir ninguna normativa urbanística del municipio y se requerirá el “permiso de la comunidad de propietarios” en caso de que la instalación de los paneles se haga en una comunidad constituida.

Por nuestra latitud, la orientación óptima de los paneles será sur y la inclinación óptima para instalaciones de conexión a red será equivalente a la latitud del lugar -10°. En el caso de las instalaciones autónomas, para determinar la inclinación de los paneles fotovoltaicos, en primer lugar es necesario conocer en que época del año va a haber más consumo, como regla general se tomaran los datos de la siguiente tabla.

Para garantizar esto, los paneles deberán instalarse a una distancia mínima los obstáculos cercanos, determinada por la siguiente expresión:

d = (h / TanH solar) ∙ cosA solar
d = (h / 61° – latitud) ∙ cosA solar

d, es la distancia mínima entre el obstáculo y el panel.
h, es la altura del obstáculo.
Tang H solar, es la tangente de la altura solar en el mes más desfavorable (diciembre) en nuestra latitud.
Cos A solar, es el coseno del azimut solar en el mes más desfavorable (diciembre) a las 10 h solar.

Para evaluar la incidencia de sombras de obstáculos cercanos, se observará el entorno próximo comprendido en la franja este-oeste, en el que no debe haber ningún obstáculo que pueda producir sombras sobre los paneles solares por un período mínimo de 4 horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno.

Si despejamos 1/tan (61°-latitud), conseguimos un coeficiente adimensional llamado factor K.

D = h ∙ k

En la siguiente tabla tenemos los coeficientes K en función de las latitudes:

Los anclajes de los paneles deben ser capaces de soportar las fuerzas que actúen sobre como consecuencia de la presión del viento al que se encuentren sometidos.

En el hemisferio norte los paneles estarán orientados hacia el sur, por lo que el viento que puede representar un riesgo es lo que venga del norte. La fuerza que actúa sobre los módulos se descompone en dos y solo tendremos en cuenta la perpendicular que actúa sobre una superficie de los módulos, la calcularemos utilizando la siguiente fórmula:

 F = p ∙ S ∙ sen²

p, presión viento (ver fig. Fuerza del viento vs velocidad)
S, superficie módulos , ángulo inclinación de los módulos

Por ejemplo, si tuviésemos que calcular la fuerza que ejercería un viento máximo en la zona de 180 km/h sobre una batería de 2 paneles solares 2,3m² con inclinación de 45° sobre la horizontal:

F= 1528 N/m² · 4,6m² · sin² 45 = 3.514 Newtons

 En el caso que el equipo no vaya anclado a la superficie y debamos poner contrapeso, el valor de fuerza máxima calculado, nos servirá para saber cuando debe pesar el lastre de nuestra batería.

1kg= 9,8 Newtons –> Peso mínimo batería= 358kg

A los 358kg, le restaremos el peso de los colectores y la estructura, y haremos las zapatas.
El peso del hormigón armado es de 2.000 a 2.500 kg/m³.

Pedro García Gómez
Jefe División Energías Renovables, Calderas- Emisores & ACS
Head Renewable Energy, Boilers & SHW Division
Salvador Escoda, S.A