La radiación solar: usos y aplicaciones

Los investigadores expertos o especializados en energía solar aseguran que este es el único recurso el cual está garantizado por los próximos 6.000 millones de años, es que el Sol es una fuente inagotable de calor y energía y si el hombre la aprovecha debidamente, la dependencia de los combustibles fósiles será historia. Pero para lograr un eficiente aprovechamiento de este recurso es necesario que se den a conocer públicamente los diferentes tipos de aplicación de la energía solar, es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la capacitación, acumulación y distribución de este recurso, es que esta es la única forma de asegurar un futuro limpio y con un abastecimiento de necesidades prolongado.

Usos:

Cuando decimos que la aplicación de la energía solar es inminente no estamos mintiendo, actualmente son muchos los sistemas solares que se despliegan en el planeta, por supuesto, la mayoría de ellos están concentrados en regiones que están expuestas a mayores horas de Sol. Con pocos elementos podemos fabricar una cocina solar o una linterna de las mismas características, todo es cuestión de información y conocimiento; pero si debemos ser más explícitos, tenemos que señalar que la aplicación de energía solar más importante es la que se relaciona con la electricidad. Si recogemos de forma adecuada la radiación solar podemos obtener electricidad y así iluminar nuestra vivienda como dar funcionamiento a distintos electrodomésticos; la electricidad obtenida puede usarse de manera directa o bien ser almacenada en acumuladores para luego utilizarse en horas nocturnas o en días que carecen de la presencia del Sol. Esta aplicación de energía solar puede llevarse a cabo gracias a la existencia de los ya conocidos paneles solares, estos se perfilan hoy como la solución definitiva al problema de electrificación rural. Los mismos cuentan con partes móviles, no contaminan ni producen ruido, son inalterables con el correr de los años, no consumen combustible alguno y no necesitan de tareas de mantenimiento; los más tecnológicos son capaces de captar la radiación solar en los días nublados, pero estos son ya mucho más costosos que los paneles convencionales.

Con respecto a los sistemas de calefacción, decimos que el calor se obtiene de los colectores térmicos, es que el calor recogido allí puede destinarse a satisfacer más de una necesidad, por ejemplo, podemos obtener agua caliente para consumo industrial o doméstico o bien para climatizar diferentes dependencias (hoteles, colegios, hogares, etc). También, aunque pueda resultar un poco extraño, la nueva aplicación de la energía solar se relaciona con la refrigeración cuando más soleamiento hay. ¿Cómo se logra esto?, mediante un foco cálido el cual puede tener origen en colectores solares instalados en el tejado; para aquellos descreídos, comentamos que en algunos países árabes ya se utilizan los aires acondicionados solares con un gran éxito. Para poder expandir los usos de este recurso en necesario conseguir un abaratamiento de costos, es decir, lograr una disminución del precio de las celdas solares para poder así incentivar la fabricación de paneles solares a gran escala, se estima que si esto sucede, una buena parte de la electricidad consumida en las naciones ricas en Sol, tenga su origen en la conversión fotovoltaica.

Otros usos: Además de la obtención de calor y electricidad, existen diversas aplicaciones de la energía solar, entre ellas podemos nombrar: calentamiento de agua, destilación, evaporación, control de heladas y fotosíntesis. Se han ensayado todos los usos de la energía solar en escala de laboratorio pero no en escala industrial, esto se debe a que en ocasiones, el costo de dichas operaciones no pueden competir con el costo de otras fuentes de energía por la gran inversión inicial que debe realizarse. La aplicación de la energía solar sigue siendo todavía material de estudio, aunque hemos enumerado más de un beneficio que podemos obtener utilizándola, los técnicos y científicos aseguran que la misma puede brindarnos aún mucho más. Actualmente, para llevar a cabo tareas de investigación, varios países subvencionan a sus industrias, el objetivo es justamente podemos obtener mayores usos que hasta hora son desconocidos.

Energía Solar

Efecto Invernadero

El efecto invernadero

¿Por qué se produce el efecto invernadero?

El ciclo formado por los puntos B y C, es el responsable del aumento en la temperatura de las capas más cercanas a la superficie terrestre.

El efecto invernadero se origina porque la energía que llega del sol, al proceder de un cuerpo de muy elevada temperatura, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. A su vez, la energía remitida hacia el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias más bajas, y es absorbida por los gases con efecto invernadero.

Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que, al final, en condiciones normales, es igual la cantidad de energía que llega a la Tierra que la que esta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido. 

Podríamos decir, de una forma muy simplificada, que el efecto invernadero lo que hace es provocar que la energía que llega a la Tierra sea "devuelta" más lentamente, por lo que es "mantenida" más tiempo junto a la superficie y así se mantiene la elevación de temperatura.

¿Qué es el Efecto Invernadero?

En la ausencia de una atmósfera, la temperatura superficial sería aproximadamente -18 °C . Esta es conocida como la temperatura efectiva de radiación terrestre. De hecho la temperatura superficial terrestre, es de aproximadamente 15°C.

La razón de esta discrepancia de temperatura, es que la atmósfera es casi transparente a la radiación de onda corta, pero absorbe la mayor parte de la radiación de onda larga emitida por la superficie terrestre.

Varios componentes atmosféricos, tales como el vapor de agua, el dióxido de carbono, tienen frecuencias moleculares vibratorias en el rango espectral de la radiación emitida por la Tierra. Estos gases de efecto invernadero absorben y reemiten la radiación en onda larga, devolviéndola a la superficie terrestre, causando el aumento de temperatura, fenómeno denominado Efecto Invernadero.

El vidrio de un invernadero similar a la atmósfera es transparente a la luz solar y opaca a la radiación terrestre, pero confina el aire a su interior, evitando que se pueda escapar el aire caliente (McIlveen, 1986; Anderson et al, 1987). Por lo tanto, el proceso que hace que un invernadero se caliente es diferente y el nombre engaña. El interior de un invernadero se mantiene tibio porque el vidrio inhibe la pérdida de calor por convección hacia el aire exterior, en resumen, no deja salir el aire caliente. En cambio el fenómeno atmosférico se basa en un proceso distinto al de un invernadero donde un gas absorbe el calor por su estructura molecular. En todo caso el término se ha popularizado tanto, que ya no hay forma de establecer un nombre más preciso.

En todo caso, el efecto invernadero es el motivo del calentamiento global y el cambio climático, es el aumento de los gases invernadero lo que aumenta la absorción de calor y a su vez genera los cambios. El aumento de los gases es resultado del uso y abuso de los recursos naturales, sea a través de quema ineficiente de combustibles fósiles, a través de la tala y destrucción de los bosques y ambientes naturales o la destrucción de ecosistemas marinos y acuáticos a través de la contaminación irracional e irresponsable.

Gases con efecto invernadero

	Acción relativa	Contribución real
CO2	1 (referencia)	76 %
CFCs	15.000	5 %
Metano CH4	25	13 %
Óxido Nitroso N2O	230	6 %

 

La Energía Solar en la Tierra

Efecto del sol en la Tierra

La energía del Sol es muy importante para la Tierra. El Sol calienta nuestro planeta, calentando la superficie y la atmósfera. Esta energía dicta nuestros estados del tiempo. Nuestro clima es afectado en gran medida por la radiación solar que recibe la Tierra. Esta cantidad cambia dependiendo del albedo de la Tierra, que es la cantidad de radiación que reflejan la superficie de la Tierra y las nubes de vuelta al espacio.

La cantidad de radiación emitida por el Sol cambia con manifestaciones de la actividad solar como llamaradas solares o manchas solares. Se sabe que la actividad solar varia en ciclos, como el ciclo de 11 años de las manchas solares (y ciclos más largos). Algunos científicos se han preguntado si los cambios en nuestros estados del tiempo y clima podrían estar ligados con los ciclos solares cortos o de largo plazo. Por décadas, este ha sido un campo de investigación . Es un ejemplo del proceso científico .

Algunos científicos intentaron encontrar una relación entre los cambios de los estados del tiempo de la Tierra y la variabilidad solar. Aunque algunos científicos han indicado que existen tales correlaciones, estudios subsecuentes han indicado que estos resultados no son correctos. Los ejemplos incluyen estudios de la relación entre el número manchas solares y las variaciones en patrones del viento, o entre rayos cósmicos y nubes.

Otros estudios han investigado, con éxito relativo, la influencia de la variación solar sobre el clima de la Tierra. Los cambios en las manchas solares efectivamente alteran la cantidad de radiación del Sol, pero sólo un poco. Estos cambios son muy pequeños para ser responsables del calentamiento observado en la atmósfera durante la última mitad del vigésimo siglo. La única manera en que los modelos del clima pueden capturar el calentamiento observado en la atmósfera es mediante la adición de gases de invernadero.

Espectro electromagnético

Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir ver el espectro, permiten realizar medidas sobre el mismo, como son la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.

El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos gamma y los rayos X pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud de onda, como son las ondas de radio. Se cree que el límite para la longitud de onda más pequeña posible es la longitud de Planck mientras que el límite máximo sería el tamaño del Universo, aunque formalmente el espectro electromagnético es infinito y continuo.

Transferencias de energía: radiación

La radiación consiste en la transmisión de calor en ausencia de materia. Por radiación nos llega la luz y el calor procedente del Sol, y es también la componente principal del calor que nos llega cuando nos calentamos junto a una hoguera o junto a una estufa eléctrica. La radiación está formada por ondas electromagnéticas diferentes, algunas de las cuáles son percibidas por el ojo y constituyen lo que llamamos luz visible, mientras que otras como las radiaciones infrarrojas y radiaciones ultravioletas no producen efectos sensoriales en el ojo humano. La radiación no es algo homogéneo sino que podemos considerarlo como la suma de muchas radiaciones diferentes. Eso se pone de manifiesto claramente al observar que hay luces de diferentes colores: todas son radiación,  pero la luz que produce la sensación de un color es diferente de la luz que produce la sensación de otro color. Desde un punto de vista científico se diferencia la luz de cada color por un número, que llamamos longitud de onda. El número que corresponde a la longitud de onda del color rojo es mayor que el número que corresponde a la longitud de onda del color amarillo, y éste a su vez, mayor que el que corresponde al color violeta.
Lo que llamamos radiaciones térmicas se diferencian de las llamadas radiaciones luminosas en que las longitudes de onda son mucho mayores en el caso de la radiaciones térmicas.
La radiación emitida por un cuerpo en la unidad de tiempo depende de la cuarta potencia de la temperatura de ese cuerpo, expresada en kelvin, así como de la superficie del cuerpo y de la emisividad (e), cuyo valor puede oscilar entre 0 y 1, siendo un valor propio de cada cuerpo que tiene relación con su color. Las superficies muy negras, como el hollín, tienen (e) próxima a 1, mientras que las superficies brillantes tienen e próxima a cero y en consecuencia, emitirán menos radiación. La piel tiene una emisividad elevada: alrededor de 0,6 la piel clara y de 0,8 la oscura.
Q= σA T4
σ es una constante universal de valor 5,67 10 J/m2.T4. Se le llama constante de Stefan-Boltzmann.
T la temperatura en grados Kelvin
A es la superficie del objeto

Las superficies brillantes no sólo emiten menos radiación sino que absorben sólo una pequeña parte de la radiación que incide sobre ellas. En cambio los cuerpos negros u oscuros absorben casi toda la radiación que incide sobre ellos. Por lo tanto, un buen absorbente es también un buen emisor. Cuando un cuerpo que está a temperatura T se coloca en un ambiente cuya temperatura es T emitirá y absorberá energía.

Se estima que la radiación constituye aproximadamente un 50% de las pérdidas de energía de una persona sedentaria en una habitación normal. El Sol emite una gran cantidad de radiación. Cada segundo emite 3,83 10 26 julios, lo que supera a toda la energía utilizada durante un año en la Tierra. Esa radiación se dispersa en todas las direcciones del espacio de forma que a la Tierra llega sólo una parte muy pequeña. Las medidas efectuadas fuera de la atmósfera ponen de manifiesto que a la Tierra llegan, cada segundo, 1353 julios sobre cada metro cuadrado. A la superficie terrestre llega menos, pues parte de esa radiación es reflejada por la atmósfera hacia el exterior y otra parte es absorbida por la propia atmósfera. Algunas propiedades de la radiación dependen de la longitud de onda. Por ejemplo. el vidrio o el plástico pueden ser transparentes para la radiación luminosa y opacos para la radiación térmica. Ese es el fundamento del llamado efecto invernadero que puede presentarse en muchos casos. En un invernadero llega radiación luminosa que atraviesa perfectamente el plástico que cubre el invernadero: esa radiación es absorbida por la tierra, el suelo y las plantas que, a su vez, emiten radiación térmica de mayor longitud de onda que la radiación luminosa. Ahora bien, la radiación térmica no puede atravesar el plástico, por lo que ha de quedar en el invernadero y como consecuencia aumenta la temperatura del mismo. Esto permite que la temperatura en el interior del invernadero sea superior a la que hay en el exterior. También la atmósfera puede dar lugar a un efecto invernadero. Hay sustancias que son «transparentes» a la radiación luminosa pero que son opacas a la radiación térmica. Un ejemplo es el dióxido de carbono. Si aumenta la proporción de dióxido de carbono en la atmósfera se dificultará la salida de la radiación térmica que emite la Tierra y eso dará lugar a una elevación de la temperatura.

Calor y temperatura

Un cuerpo o una sustancia están formados por materia. Esta a su vez está formada por partículas que están en permanente movimiento. Cuanto más rápido se muevan, mayor será la temperatura del cuerpo o de la sustancia.

La temperatura es entonces, una variable de estado de la materia relacionada con la energía cinética promedio de sus partículas.

Conocer la temperatura de un cuerpo o una sustancia, así como también otras variables de estado como la presión, la densidad, el punto de ebullición, la resistencia eléctrica o la conductividad, aporta mayor información sobre sus propiedades físicas. Es importante remarcar entonces, que los cuerpos no tienen calor ni frío, sino una determinada temperatura que los caracteriza, y que si este parámetro varía, pueden modificarse algunas de sus propiedades.

Calor: entre mediados del siglo XVIII y las primeras décadas del siglo XIX las ideas científicas sobre el calor se manejaron bajo la teoría del calórico.

El calor era considerado como un fluido material, llamado calórico y que estaba en el interior de los cuerpos. Esta especie de sustancia capaz de pasar desde los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura, explicaba el enfriamiento de los cuerpos por pérdida del calórico, y calentamiento por su ganancia.

Las primeras críticas de la teoría del calórico, que ponen en duda la existencia de dicho fluido, surgen cuando en 1798 Benjamín Thompson (1753-1814), conde de Rumford y ministro de guerra de Baviera, observó que al taladrar grandes piezas de metal para fabricar cañones, se desprendían importantes cantidades de calor por frotamiento. El conde dudó de la existencia del calórico, pues si se trataba de una sustancia debería acabarse en algún momento de ese proceso de frotamiento, sin embargo esto no ocurría. 

Mucho tiempo después, las ideas del calórico como sustancia en movimiento fueron sustituidas por una nueva concepción científica, que plantearía la posibilidad de unificar los fenómenos mecánicos, luminosos, eléctricos, magnéticos, térmicos y químicos bajo el concepto de energía.

El calor como transferencia de energía

Todos los cuerpos o sistemas materiales tienen asociada una energía interna que permite conocer y caracterizar sus propiedades. El calor es una forma de transferencia de energía desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el de menor temperatura. El calor no es un tipo de energía. Los cuerpos no tienen calor (ni frío).

Cuando ponemos en contacto dos cuerpos que están a diferente temperatura, sabemos que el cuerpo a más temperatura se enfría y el cuerpo a menos temperatura se calienta, hasta que las temperaturas se igualan. Se llega entonces a lo que se conoce como equilibrio térmico.

¿Qué ha ocurrido con la energía? Se ha producido una transferencia desde el cuerpo a mayor temperatura (pierde energía) hasta el cuerpo a menor temperatura (gana energía). Se dice que se ha transferido calor desde el primer cuerpo hasta el segundo.

La cantidad de energía intercambiada es el calor transferido. Sólo podremos hablar de calor mientras se éste produciendo el intercambio de energía. Los cuerpos no tenían calor antes ni tendrán calor después.

Los cuerpos no tienen frío o calor sino que poseen cierta energía interna que puede variar, por ejemplo cuando entran en contacto con otros cuerpos de diferentes temperaturas.

Signo de calor (Q)

Cuando un cuerpo gana energía por intercambio de calor, se dice que el calor es absorbido, y su signo es positivo (Q > 0).

Cuando un cuerpo pierde energía por intercambio de calor, se dice que el calor es desprendido, y su signo es negativo (Q < 0).

Unidades de calor: al ser una transferencia de energía, sus unidades son las mismas que las de cualquier energía (J, cal…).

Relación calor-incremento de temperatura

Al aportar calor a un cuerpo o extraer calor de éste, su temperatura cambia. El hecho de que cambie más o menos depende de varios factores:

Calor aportado o extraído: Q

Cantidad de sustancia (masa del cuerpo): m

Tipo de sustancia: esta influencia viene reflejada mediante una constante, llamada calor específico de la sustancia (Ce)

Calor específico de la sustancia, se define como la cantidad de energía que hay que aportar a 1 g de sustancia para que su temperatura aumente en 1ºC. Se medirá en cal/g.ºC o J/Kg.K

La expresión resultante es: Q= m. Ce.    t      -----à  Q= m. Ce. (Tf-Ti)

La caloría (cal) se define como la cantidad de calor necesario para que un gramo de agua pura pase de 14,5ºC a 15,5ºC.

La relación entre los joules y las calorías es la siguiente: 1 cal = 4,18 J o bien

1J = 0,24 cal