RADIACIN SOLAR
M.Sc. Fernando Gonzalez LeivaPrograma de Ingeniera Agrcola
Hidroclimatologa 2015-1
Foto Portada: By NASA, 2010
RADIACION SOLAR
Es la energa emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a travs delespacio mediante ondas electromagnticas.
Esta energa es el motor que determina la dinmica de los procesos atmosfricos y elclima. La energa procedente del sol es radiacin electromagntica.
Video from: By NASA, 2015. Exposicin Solar Marzo 11 / 2015.
1. El sol emite energa en forma de
radiacin de onda corta.
2. Despus pasa a la atmsfera, donde sufre
un proceso de debilitamiento por la
difusin y reflexin en las nubes y de
absorcin por las molculas de gases
(como O3 y el vapor de agua), adems de
partculas en suspensin.
3. La radiacin solar alcanza la superficie
terrestre ocenica y continental que la
refleja o la absorbe. La cantidad de
radiacin absorbida por la superficie es
devuelta en direccin al espacio exterior
en forma de radiacin de onda larga, con
lo cual se transmite calor a la atmsfera.
RADIACION SOLAR
RADIACION SOLARESPECTRO ELECTROMAGNTICO
Las ondas de luz pertenecen a un grupo denominadas ondas electromagnticas, las
cuales estn constituidas por un campo elctrico y un campo magnticos variables. El
conjunto completo de estas ondas se denomina espectro electromagntico e incluye a las
ondas luminosas, las de radio y los rayos X y Gamma.
Fuente: Shuttleworth, J. (2012)
FRECUENCIA DEL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO
BANDA VISIBLE DEL ESPECTRO ELECTROMAGNTICO
LEYES DE RADIACIN
Al considerar el balance de radiacin terrestre en la superficie, es til recordar que
cualquier cuerpo con una temperatura por encima del cero absoluto emite radiacin con
un espectro, a una tasa de variacin reflejada en funcin de la temperatura que emite el
cuerpo.
RADIACIN TERRESTRE
emite ondas cortas
T promedio 6000 K
emite ondas largas (trmicas)
T promedio 290 K
BALANCE RADIATIVO TIERRA-ATMOSFERA
Wm
-2m
-1
m
NORMALIZACION DEL ESPECTRO DE ONDA
CORTA Y ONDA LARGA
LEY DE STEFAN-BOLTZMANN
LEYES DE RADIACIN
La radiacin emitida por unidad de rea y por unidad de tiempo es proporcional a la cuarta
potencia de la temperatura absoluta:
E = T 4
es la constante de Stefan-Boltzmann: 5,6710-8 Wm-2K -4
En otros trminos.la Ley de Stefan-Boltzmann es:
LEYES DE RADIACIN
CUERPO NEGRO
Un cuerpo negro es una superficie ideal, que absorbe toda la radiacin incidente y
emite radiacin mxima en todas las longitudes de onda sobre todas las direcciones.
Es un emisor y receptor de Energa perfecto. La Energa radiada en una longitud
de onda desde un cuerpo negro a una temperatura T, esta dada por:
k es la constante de Boltzmann: 1,380540,0000610-16 ergK-1.h es la constante de Planck (6,626x10-34 J.s)
CONCEPTOS BSICOS DE RADIACION SOLAR
RADIACION EXTRATERRESTRE (Ra)
Es la radiacin solar recibida en la parte superior de la atmosfera terrestre sobre unasuperficie horizontal.
La intensidad local de la radiacin, sin embargo, esta determinada por el ngulo entrela direccin de los rayos solares y la superficie de la atmosfera. Este ngulo cambia
durante el da y es diferente en diversas latitudes y en diversas pocas del ao.
Cuando el Sol se encuentra perpendicular a la superficie terrestre ( sobre nuestrascabezas), el angulo de incidencia es cero y la radiacin extraterrestre Ra tiene un valor
constante de 0.082 MJ m-2 min-1
Ra es funcin de la latitud, la poca del ao y la hora del da.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
MOVIMIENTO DE ROTACION Y TRASLACION DE LA TIERRA
VARIACION DE LA LUZ SOLAR A LO LARGO DEL AO
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
RADIACION SOLAR O DE ONDA CORTA (Rs)
Es la cantidad de radiacin que llega a un plano horizontal en la superficie terrestre.
En un da despejado, Rs constituye el 75% de la radiacin extraterrestre Ra. Para unda nublado, este valor disminuye debido a que la radiacin se dispersa en la
atmosfera.
La radiacin solar tambin se le conoce como radiacin global, que es la suma de laradiacin directa de la onda corta del sol y la radiacin difusa resultante de otros
ngulos.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
RADIACION RELATIVA DE ONDA CORTA (Rs / Rso)
Es el cociente entre la radiacin solar (Rs) y la radiacin solar de un da despejado(Ro).
Rs es la radiacin que realmente llega a la superficie terrestre en un determinadoperiodo y Rso es la radiacin que alcanzara la misma superficie durante el mismo
perodo si el cielo estuviera despejado.
La radiacin relativa es una manera de expresar la nubosidad de la atmosfera, cuantomas nublado el cielo, mas pequeo ser el valor de la radiacin relativa. El cociente
varia aproximadamente entre 0.33 ( alta nubosidad ) y 1 ( cielo despejado ).
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
DURACION SOLAR RELATIVA ( n / N )
Es el cociente entre la duracin real de la insolacin, n, y la duracin mxima posiblede la insolacin o de la luz del da N.
Bajo condiciones de ausencia de nubosidad la duracin real de la insolacin es igual ala insolacin mxima posible (n = N) y el cociente es uno, mientras que en das muy
nublados n y el cociente puede tomar el valor de cero.
La duracin solar relativa es utilizada para derivar la radiacin solar de la radiacinextraterrestre.
Como ocurre con la radiacin extraterrestre, la duracin del da, N, depende de laposicin del sol y es por lo tanto una funcin de la latitud y de la fecha.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
VARIACION ANUAL DE HORAS LUZ
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
ALBEDO () Y RADIACION SOLAR NETA ( Rns)
Una cantidad considerable de la radiacin solar que llega a la superficie terrestre serefleja en ella. La fraccin, , de la radiacin solar que es reflejada por la superficie
se conoce como albedo.
El albedo es muy variable de acuerdo al tipo de superficie y el ngulo de incidenciao la pendiente de la superficie terrestre. El albedo puede variar entre 0.95 para
nieve recin cada, o tan bajo como 0.05 para un suelo desnudo y hmedo.
Una cubierta verde de vegetacin tiene un albedo entre 0.20 y 0.25.
La radiacin solar neta Rns es la fraccin de radiacin solar Rs que no se refleja enla superficie. El valor de Rns es (1-)Rs
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
RADIACION NETA DE ONDA LARGA( Rnl )
La radiacin solar absorbida por la tierra se convierte en energa trmica.
La Tierra pierde esta energa por medio de varios procesos, entre los cuales seencuentra la emisin de radiacin. La Tierra, que tiene una temperatura mucho mas
baja que el sol, emite energa radiante con longitudes de onda mas largas que el sol.
La Rnl emitida por el planeta es absorbida por la atmosfera o perdida hacia elespacio. La Rnl recibida por la atmosfera aumenta su temperatura.
Parte de la radiacin emitida por la atmosfera se dirige nuevamente hacia lasuperficie terrestre. Por lo tanto, la superficie terrestre emite y recibe radiacin de
onda larga.
La diferencia entre la radiacin de onda larga entrante y saliente se llama radiacinneta de onda larga, Rnl. Como la radiacin saliente de onda larga es casi siempre
mayor que la radiacin entrante, Rnl representa una prdida de energa.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
RADIACION NETA ( Rn )
La Rn, es la diferencia entre la radiacin entrante y saliente de longitudes de ondacortas y largas.
Es el equilibrio entre la energa absorbida, reflejada y emitida por la superficieterrestre.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
UNIDADES DE LA RADIACION NETA ( Rn )
La unidad estndar para expresar la energa recibida por unidad de superficie en una unidad de tiempo MJ m-2 dia-1
En algunas ocasiones, es conveniente expresar las unidades de radiacin neta MJ m-2
dia-1 en trminos de evaporacin equivalente mm dia-1
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
MEDICIN DE LA RADIACION SOLAR
Los instrumentos contienen un sensor instalado en una superficie horizontal que mide la
intensidad de la radiacin solar total, es decir, la suma de la radiacin solar directa y la
difusa que ocurre cuando el cielo esta cubierto.
Mide la densidad de flujo de radiacin
por unidad de rea W m-2Mide el numero de horas de sol
(Insolacion)
PIRANMETRO HELIOGRAFO
REPORTE IDEAM HORAS MENSUALES DE BRILLO SOLAR
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION SOLAR EXTRATERRESTRE
RADIACION EXTRATERRESTRE PARA PERIODOS DIARIOS (Ra)
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
Distancia Relativa Tierra-Sol (dr) y Declinacin solar ()
Donde J es el da Juliano, es decir, la posicin del da en el ao siendo 1 (1 de enero) y365 (31 de diciembre)
el ngulo de radiacin a la hora de la puesta del sol s se da por:
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
EJEMPLO DE CALCULO PARA RADIACION EXTRATERRESTRE Ra
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA INSOLACION MAXIMA (N)
La duracin mxima de la insolacin N, esta dada por:
Donde s es el ngulo de radiacin a la hora de la puesta del sol calculado en las ecuaciones anteriores.
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION SOLAR (Rs)
Si no se cuentan con mediciones directas de radiacin solar, sta puede ser calculada
mediante la ecuacin de Angstrom:
Donde:
Fuente: Evapotranspiracin del Cultivo, FAO. 2006
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION SOLAR (Rs)
Dependiendo de las condiciones atmosfricas ( humedad, polvo) y de la declinacinsolar (latitud y mes), los valores de la ecuacin de calculo para radiacin solar
pueden variar.
En casos en los que no se disponga de datos reales de radiacin solar y cuando no sehan realizado calibraciones previas a la ecuacin mencionada, se recomienda usar
valores de:
La duracin real de la insolacin diaria, n, en la ecuacin de radiacin solar se mide con unheligrafo.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION SOLAR (Rs)
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION SOLAR
EN UN DIA DESPEJADO (Rso)
La radiacin en das despejados, Rso, cuando n = N, puede ser calculada de la siguiente forma:
1. Localidades cerca al mar o se dispone de valores calibrados para as y bs
2. Cuando los valores calibrados as y bs no estn disponibles
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA SOLAR
O DE ONDA CORTA (Rns)
La radiacin neta de onda corta, resultante del equilibrio entre la radiacin solar
entrante y la reflejada esta dada por:
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA
O DE ONDA LARGA (Rnl)
Esta relacin se expresa cuantitativamente por la ley de Stefan-Boltzmann. El vapor
de agua, las nubes, el dixido de carbono y el polvo absorben y emiten radiacin de
onda larga. Por ello se deben conocer sus concentraciones para determinar el flujo
saliente neto.
Como la humedad y la nubosidad tienen un papel importante, la ley de Stefan-
Boltzmann se corrige por estos dos factores cuando se estima el flujo saliente neto de
la radiacin de onda larga.
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA
O DE ONDA LARGA (Rnl)
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA
O DE ONDA LARGA (Rnl)
Correccin para la
humedad del aire
Efecto de la
nubosidad
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA
O DE ONDA LARGA (Rnl)
PROCEDIMIENTO DE CALCULO PARA RADIACION NETA (Rn)
La radiacin neta (Rn) es la diferencia entre la radiacin neta de onda corta (Rns) y la
radiacin neta de onda larga (Rnl):
TALLER EN CLASE
Determinar la radiacin extraterrestre, la insolacin mxima y la radiacin solar para los
siguientes datos:
1. NEIVA-HUILA
Latitud: 2 55 N, para el da 27 MarzoSegn IDEAM el numero de horas de insolacin promedio histrico para el mes
de Marzo es de 149.5
2. RIOHACHA-GUAJIRA
Latitud: 11 32 N, para el da 27 MarzoSegn IDEAM el numero de horas de insolacin promedio histrico para el mes
de Marzo es de 234
3. LETICIA-AMAZONAS
Latitud: 4 12 S, para el da 27 MarzoSegn IDEAM el numero de horas de insolacin promedio histrico para el mes
de Marzo es de 129.3
TALLER EN CLASE
Determinar la radiacin extraterrestre, la insolacin mxima y la radiacin solar para los
siguientes datos:
4. PUERTO LEGUIZAMO-PUTUMAYO
Latitud: 0 11 S, para el da 27 MarzoSegn IDEAM el numero de horas de insolacin promedio histrico para el mes
de Marzo es de 105.8
5. TUMACO-NARIO
Latitud: 1 12 N, para el da 27 MarzoSegn IDEAM el numero de horas de insolacin promedio histrico para el mes
de Marzo es de 142.3
TALLER EXTRA CLASE
FECHA DE ENTREGA: 10 ABRILDeterminar la radiacin neta para los siguientes lugares en el mundo:
1. BOGOTA-COLOMBIA
2. SANTIAGO-CHILE
3. WASHINGTON D.C.- EE.UU.
4. MADRID-ESPAA
5. ESTOCOLMO-SUECIA
6. NAIROBI-KENYA
7. TOKIO-JAPON
8. MOSCU-RUSIA
9. AUCKLAND-NUEVA ZELANDA
10. EL CAIRO-EGIPTO
11. LONDRES- REINO UNIDO
12. CIUDAD DEL CABO-SUDAFRICA
13. LIMA-PERU
14. CIUDAD DE MEXICO-MEXICO
15. SYDNEY-AUSTRALIA
TALLER EXTRA CLASE
Los datos climatolgicos necesarios los pueden tomar de la siguiente fuente de
informacin:
http://www.woespana.es/
ORDEN NOMBRE
1 ARDILA DUSSAN ADRIANA MARGARITA
2 BAHAMON MONJE ANDRES FELIPE
3 BELTRAN CABRERA RAFAEL ANDRES
4 CALDERON CALDERON YOHAN SEBASTIAN
5 CHICA ROA ESTEFANIA
6 DEVIA RODRIGUEZ YENNY FERNANDA
7 GASCA QUIMBAYO JUAN DAVID
8 GONZALEZ ARAQUE ARNOLD JAMPIER
9 MENDOZA CUJAR MARCO SEBASTIAN
10 MOSQUERA PEREZ ELIANA ANDREA
11 MOSQUERA RIVERA LEIDY CAROLINA
12 OSORIO SILVA JAIME ANDRES
13 PEREZ CASTRILLON LUIS ENRIQUE
14 ROJAS VARGAS HEYDER ANDRES
15 SANCHEZ GUARNIZO JOSE FERNANDO
ESCOGER LA CIUDAD SEGUN EL ORDEN DE LISTA