Irradiancia solar directa

La insolación directa , también llamada irradiancia normal directa ( DNI ), es la insolación medida en un lugar determinado de la Tierra con un elemento de superficie perpendicular a los rayos del Sol , excluyendo la insolación difusa (la radiación solar dispersada o reflejada por moléculas de gas y partículas en la atmósfera ). La insolación directa es igual a la irradiancia solar sobre la atmósfera menos las pérdidas atmosféricas debidas a la absorción y la dispersión. Si bien la irradiancia solar sobre la atmósfera varía con la distancia Tierra-Sol y los ciclos solares , las pérdidas dependen de la hora del día (longitud del recorrido de la luz a través de la atmósfera según el ángulo de elevación solar ), la nubosidad , la humedad y otras impurezas .

Una fórmula simple proporciona el nivel aproximado de insolación directa cuando no hay nubes: ^{[ 1 ]}

$${\displaystyle I_{D}=1.353{\text{ kW/m}}^{2}\times 0.7^{AM^{0.678}}}$$

donde AM es la masa de aire dada, aproximadamente, por

$${\displaystyle AM={\frac {1}{\cos \theta }}}$$

donde θ es el ángulo cenital solar (90° menos la altitud ) del sol. Si bien la fórmula anterior para la masa de aire proporciona resultados razonables para ángulos cenitales solares de hasta 60°, su precisión disminuye rápidamente a partir de entonces, especialmente después de los 75°. Para obtener fórmulas más precisas, consulte el artículo principal sobre la masa de aire .

Para el sol en el cenit , esto da 947  W/m² ^. Sin embargo, otra fuente afirma que la luz solar directa bajo estas condiciones, con 1367  W/m² ^por encima de la atmósfera, es de aproximadamente 1050  W/m² ^, y la insolación total de aproximadamente 1120  W/ ^m² . ^{[ 2 ]}

Para fines prácticos, se suele utilizar un promedio temporal de la insolación directa a lo largo del año. Este promedio tiene en cuenta la ausencia de luz solar durante la noche, la mayor dispersión por la mañana y por la tarde, los efectos promedio de la nubosidad y la contaminación atmosférica , así como las variaciones estacionales de la elevación solar al mediodía.

La insolación directa se mide en vatios por metro cuadrado (W/m² ⁾ o en kilovatios-hora por metro cuadrado por día (kW·h/(m² ^· día)).

En el caso de la energía fotovoltaica, la insolación directa promedio se suele medir en términos de insolación directa máxima como kWh/(kWp·año) (kilovatios-hora por año por kilovatio de potencia máxima).

Las mediciones más precisas se realizan con radiómetros de cavidad absolutos, que sirven como patrones de referencia primarios mantenidos bajo el Sistema Mundial de Referencia Radiométrica (SMR) . Las mediciones de campo se suelen llevar a cabo con pirheliómetros de termopila de precisión calibrados con respecto a los patrones del SMR. ^{[ 3 ]}

Un pirheliómetro es un instrumento radiométrico que mide la irradiancia solar dentro de un ángulo sólido estrecho centrado en el disco solar. El pirheliómetro debe montarse en un seguidor solar que garantice que la apertura del sensor permanezca perpendicular al rayo solar durante todo el día.

La OMM recomienda que el "ángulo sólido pequeño" para la medición de DNI con pirheliómetros sea de 6 ∙ 10 ⁻³ sr , equivalente a ≈ 2,5° de semiángulo (OMM 2018), lo que permite incluir una pequeña porción de radiación circumsolar al tiempo que se compensan los errores menores de seguimiento. ^{[ 4 ]} La magnitud medida es la irradiancia integrada sobre esta apertura y, por lo tanto, incluye tanto el disco solar directo como una fracción limitada de luz dispersada hacia adelante (irradiancia circumsolar).

Se utilizan otros instrumentos cuando no se dispone de un pirheliómetro o un seguidor solar. Estos incluyen:

• Irradiómetros de banda de sombra rotatoria (RSI): dispositivos que miden alternativamente la irradiancia horizontal global y difusa a intervalos cortos; la DNI se obtiene como la diferencia entre ambas corregida por el ángulo cenital solar. ^{[ 5 ]}
• Sistemas de piranómetro sombreado , donde un sensor mide la irradiancia global y otro sensor sombreado mide la irradiancia difusa.
• Los piranómetros solares , que estiman la irradiancia directa normal (DNI) algorítmicamente basándose en conjuntos de termopilas, patrones de sombreado y modelos del cielo.

Si bien estos sistemas ofrecen un menor costo y una operación más sencilla, su precisión suele ser menor (a menudo dentro de ±5%) en comparación con los pirheliómetros estándar, que pueden alcanzar incertidumbres inferiores a ±1,5% en condiciones de cielo despejado. ^{[ 5 ]}

La radiación circumsolar es la radiación dispersa proveniente de la región anular que rodea el disco solar (aureola solar). En el campo de visión típico de los pirheliómetros modernos, la radiación circumsolar contribuye de forma variable a la medición de la irradiancia directa normal (DNI), dependiendo de las condiciones atmosféricas. Determinar la magnitud de la radiación circumsolar es importante en las aplicaciones de energía solar de concentración, ya que las mediciones de DNI suelen ser mayores que la irradiancia directa que se puede utilizar eficazmente en los sistemas de concentración.

La contribución de la radiación circumsolar a la medición pirheliométrica de DNI depende de diferentes factores, como:

• Profundidad óptica de aerosoles (AOD)
• Cobertura de nubes y cirros
• contenido de vapor de agua
• Masa de aire y elevación solar
• Variaciones geográficas y estacionales

La relación entre la irradiancia circumsolar y la suma de las irradiancias circumsolar y del disco solar ( Relación Circumsolar o CSR) se utiliza a menudo en energía solar para cuantificar esta contribución. ^{[ 3 ] [ 6 ] [ 7 ]}

Aunque las mediciones terrestres suelen ser mucho más precisas, su disponibilidad es escasa. El sistema POWER de la NASA proporciona datos horarios de DNI basados ​​en CERES en un sistema de cuadrícula de 1° de latitud por 1° de longitud, junto con otras variables. ^{[ 8 ]}

Dado que la radiación directa del sol se puede enfocar con espejos y lentes, se puede aplicar a sistemas solares térmicos concentrados (CST). ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]} Debido a las nubes y los aerosoles, la insolación directa puede fluctuar a lo largo del día, por lo que pronosticar el recurso disponible es importante en estas aplicaciones. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Generalmente se asume que el término irradiancia directa, radiación directa o insolación directa se refiere a la irradiancia interceptada por una superficie normal , o perpendicular, a la luz solar directa. Sin embargo, cuando se omite la palabra normal , también puede significar irradiancia horizontal directa (DirHI) , la irradiancia directa recibida en una superficie horizontal. ^{[ 14 ]} Se cumple la siguiente relación. $${\displaystyle {\text{DirHI}}={\text{DNI}}\times \cos(z)}$$para valores instantáneos y coincidentes de DirHI, DNI y${\displaystyle z}$, el ángulo cenital solar . Para los medios de DirHI, DNI y${\displaystyle z}$Durante periodos de tiempo finitos, desde minutos hasta una hora, la relación anterior puede utilizarse de forma aproximada.

• Irradiancia solar : artículo principal que analiza la irradiancia solar total y sus subcomponentes: irradiancia directa normal , irradiancia difusa horizontal, irradiancia global horizontal, irradiancia global inclinada e irradiancia global normal.
• Radiación difusa del cielo

• Biblioteca Digital Nacional de Ciencias - Insolación directa