de masa del Sol, la cual se convierte en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein: E = m · c2, donde “E” es la cantidad de energía liberada cuando desaparece la masa (m), y “c” es la velocidad de la luz (3 × 108 m/s).
El movimiento Tierra-Sol
La Tierra orbita alrededor del Sol con dos movimientos diferentes que se producen a la vez:
1 Uno de rotación alrededor de un eje que pasa por los polos, llamado “eje polar”, y con una velocidad aproximada de una vuelta por día.
2 Y otro de traslación alrededor del Sol, describiendo una órbita elíptica. El plano que contiene esta órbita se denomina “plano de la elíptica”, y la Tierra tarda un año en recorrerlo.
El eje polar o eje de rotación terrestre, sobre el que gira la Tierra, mantiene una dirección casi constante, formando un ángulo de 23.45º con el plano de la elíptica, denominado “oblicuidad de la elíptica”. Debido a esta oblicuidad, el ángulo formado por el plano ecuatorial de la Tierra con la elíptica, es decir, la recta imaginaria que une los centros de la Tierra y el Sol, cambia permanentemente entre +23.45º y −23.45º. Este ángulo se conoce como “declinación solar” ( δ ).
En un día, la declinación solar solo puede variar como máximo en 0.5º, aunque, para facilitar ciertos cálculos, se considera constante para cada día del año.
3.2. Conversión de la energía solar
La energía eléctrica generada en las instalaciones fotovoltaicas se obtiene mediante un proceso de conversión de energía: radiación-electricidad.
Aprovechamiento de la energía solar
La radiación solar que incide en la tierra puede aprovecharse de diferentes formas, tal y como se ve a continuación.
Calentamiento directo de locales por el sol
En invernaderos, viviendas y demás emplazamientos, se aprovecha el sol para calentar el ambiente. Algunos diseños arquitectónicos se realizan de forma que consigan aprovechar al máximo este efecto y controlarlo, para poder prescindir del uso de calefacción o de aire acondicionado.
Acumulación del calor solar
Se consigue con paneles o estructuras especiales colocadas en lugares expuestos al sol (tejados), en los que un fluido se calienta, almacenando calor en depósitos. Se usa, sobre todo, para calentar agua.
Sabía que...
La acumulación de calor solar puede suponer un importante ahorro energético, ya que, en un país desarrollado, más del 5 % de la energía consumida se usa para calentar agua.
Generación de electricidad
Se puede generar electricidad a partir de la energía solar por varios procedimientos. En el sistema térmico (energía solar térmica), la energía solar se puede usar para convertir agua en vapor, en dispositivos especiales. En algunos casos, se usan espejos cóncavos que concentran el calor sobre tubos que contienen aceite. El aceite alcanza temperaturas de varios cientos de grados, con este se calienta agua hasta la ebullición y con el vapor se genera electricidad en turbinas clásicas.
La luz del sol también se puede convertir directamente en electricidad, usando el efecto fotoeléctrico mediante las denominadas “células fotovoltaicas”. Estas células no tienen rendimientos muy altos y la eficiencia media en la actualidad es de un 10 a un 15 %, aunque algunos prototipos experimentales logran eficiencias de hasta el 30 %. Por esto, se necesitan grandes extensiones si se quiere producir energía en grandes cantidades.
El efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones por metales, cuando se les somete a una radiación electromagnética (luz). Este proceso tiene dos características fundamentales:
1 Cada material tiene una frecuencia mínima o umbral de la radiación electromagnética, por debajo de la cual no se emiten electrones.
2 La emisión de electrones aumenta cuando se incrementa la intensidad de la radiación incidente sobre la superficie del metal, ya que hay más energía disponible para liberar electrones.
Recuerde
La corriente eléctrica consiste básicamente en el flujo de electrones a lo largo de un medio, como puede ser un cable o hilo conductor.
El efecto fotoeléctrico es la base de la conversión de energía solar para la producción de energía eléctrica.
3.3. La constante solar y su distribución espectral
La radiación solar llega a la tierra en forma de ondas electromagnéticas, que se desplazan por el espacio en todas las direcciones, ya que estas no necesitan un medio físico para poder desplazarse. Este fenómeno se denomina radiación.
La energía contenida en los rayos del sol se puede calcular a partir de la fórmula de Planck: E = h · f; donde:
E = Energía de la radiación (J).
h = Constante de Planck, cuyo valor es: 6.625 · 10-34 J s.
f = Frecuencia de las ondas de luz (s-1).
Partiendo de esta fórmula, se puede deducir que hay radiaciones muy energéticas (como los rayos gamma) y otras con menos energía (como los rayos infrarrojos). Esto se traduce, a su vez, en que existen radiaciones que no son capaces de atravesar la atmósfera terrestre, mientras que otras (como los rayos X) pueden atravesar tejidos.
La energía que llega a la parte alta de la atmósfera es una mezcla de radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja. Estas radiaciones constituyen la distribución espectral terrestre, que consiste en una gráfica en la que figuran las diferentes longitudes de onda en función de la energía.
El espectro electromagnético
La luz es un conjunto de ondas electromagnéticas (tienen componentes eléctricos y magnéticos) que se desplazan a la velocidad de 3 × 108 m/s (velocidad de la luz). Cada una de estas ondas tiene una frecuencia (f) y una longitud de onda (λ) y, dependiendo del valor de la última, la luz será o no visible (la ultravioleta e infrarroja no son visibles por el ojo humano). Se suele medir en nm (nanómetros: 1nm = 10-9).
El espectro electromagnético se extiende desde la radiación de menor longitud de onda (rayos gamma, rayos X) hasta las de mayor longitud de onda (ondas de radio). Mientras más corta sea la longitud de onda, más alta es la frecuencia de la misma.
La energía electromagnética, en una particular longitud de onda λ (en el vacío), tiene una frecuencia (f) asociada y una energía E. Por tanto, las ondas electromagnéticas de alta frecuencia tienen una longitud de onda corta y mucha energía, mientras que las ondas de baja frecuencia tienen grandes longitudes de onda y poca energía.