¿Qué es la irradiancia solar?

Uno de los procesos básicos para el efecto fotovoltaico y la operación de las celdas solares es la generación de pares electrón-hueco debido a la absorpción de radiación electromagnética en el material semi-condutor, llamada la irradiancia solar. Podemos decir que la radiación electromagnética se puede en términos de ondas las cuales están caracterizadas por longitud de onda (λ) y frecuencia (v), o por sus por su término discreto, fotosn, que están caracterizados por su energía en unidades electron-volt (hv). Las siguientes ecuaciones describen su relación

En las ecuaciones uno y dos ´c´ es la velocidad de luz en el vacío (2.998 x 10exp8 m/s), h es la constnate de Planck (6.625 x 10exp-34 Js) y q es la carga elemental (1.602 x 10exp-19). El la luz verda se caracteriza por tener una longitud de onda de 0.55 x 10exp-6 m, frecuencia de 5.45 x 10exp-14 y energía de 2.25eV.

Solo los fotones con la energía suficiente son absorbidos y generan un par electrón-hueco en el material semiconductor. Por lo tanto es importante conocer la distribución espectral del sol, la districución de fotones de energía específica como una función de la longitud de onda. Dos contandis es se utilizan para descrdibir el espectro solar: La densidad de potencia espectral (P(λ)), y la densidad de flujo de fotones (Φ(λ)). La densidad de potencia espectral es la potencia de incidencia por unidad de área por unidad de longitud de onda. La potencia total de una fuente radiante que cae sobre una unidad de área se le denomina irradiancia. La densidad de flujo de fotoes es el número de fotones por unidad de área, por unidad de tiempo, por unidad de longitud de onda. Estas dos densidades se relacion por la siguiente ecuación:

Cada segundo el sol emite grandes cantidades de energía radiente. La temperatura del centro del sol es cerca de 10exp6 grados Kelvin pero la temperatura de la capa más externa, la fotoesfera, es de alrededor de 6000K. La energía radiante se puede entonces aproximar por radiación de cuerpo negro a esa temperatrua. La densidad de potencia de la radiación solar la distancia sol-tierra media en un plano perpendicular a la dirección del sol, fuera de la atmósfera, es referida como la constante solar y su valor es de 1353 W/m2.

La radiación solar es atenuada cuando atraviesa la atmosfera, y como el espectro de distribución también depende de la atenuación, se miden en la superficie diferente irradiancia en cada lugar. La atenuación más importante es determinanadapor la distancia que tiene que atravesar la radiación en la atmosfera (en un cielo despejado). Esta distancia es la más corta cuando el solar está directamente arriba de la superficie de medición. La razón de la distancia real contra la distancia más corta se le denomina masa de aire óptica. Cuando el sol está en su sitancia más corta se descibe como una masa de aire o AM1. Cuando se encuentra en un ángulo, entonces la masa de aire se calcula:

Cuando el sol se encuentra a 60 grados del cenit, la radiación se describe como AM2. La radiación en el espectro extraterrestre es AM0. El espectro de radiación también está en función de la masa de aire, por lo que hacer comparaciones de rendimiento de celdas solares en diferentes ubicaciones se define un estndar llmada AM1.5. Corresponde a un ángulo de 48.3 grados del cenit solar el valor es 827 W/m2. El valor de 1000 W/m2 utiliza como un estándar. Este valor suele ser cercano al máximo recibido en la superficie terrestre. El valor pico de un sistema fotovoltaica es la potencia generada en el estándar AM1.5 (1000 W/m2) y se expresa en watts-pico.

La atenuación de la radiación solar varía por disperción y absorpción del as moléculas de aire depbido a partículaes y gases en la atmósfera particularmente vapor, oxígeno, dioxido de carbono causan absorpción que es sensible a la longitud de onda y por lo tanto resulta en caídas en la distribución del espectro. El ozono abosrbe radiación en longitudes de onda menores a 0.3μm que incluye luz ultra violeta. El CO2 contribuye a la absorpción en longitudes de onda arriba de 1μm. Cambiando la cantidad de CO2 en la atmósfera cambia la absorpción en el espectro infrarrojo lo cual contribuye al cambio climático.

La cantidad de radiación solar que llega a un punto en la tierra varía enormemente. A esto se le suma variaciones diarios o anuales por el movimiento aparente del sol, condiciones atmosféricas locales (nubes). Estas dondiciones influyen en los componentes de radiación directa y difusa que llegan a la superficie. Disperssión de la luz solar genera el componente de radiación difusa. Una parta de la radiación solar es reflejada y es llamado “albedo”. Utilizamos entonces un término denominado radiación global para referirnos al total de la radiación e incluye estos tres últimos componentes. El diseño óptimo de un sistema fotovoltaico depende de la ubicación y la cantidad de insolación solar que recibe. La irradiancia entregrada en un periódo de teimpo se le llama irradiación solar. Por ejemplo la irradiación solar en los Países Bajos es de 1000 KWh/m2 mientras que la del desierto del Sahara es de 2200 KWh/m2.

Fuentes. Miro Zeman, Delf University of Technology. Solar Cells 3Y280

La irradiancia solar se puede calcular fácilmente con la aplicación de KeeUI Solar que puedes descargar aquí.

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