S. L. Innovación y Cualificación - Replanteo de instalaciones solares térmicas. ENAE0208

La fuente de toda la energía del Sol se encuentra en el núcleo. Debido a las condiciones extremas de presión y temperatura en su interior, tienen lugar reacciones nucleares de fusión. En estas, cuatro átomos de hidrógeno se combinan para convertirse en un átomo de helio. La masa del átomo de helio es 0,7 % menor que la masa de los cuatro átomos de hidrógeno. Esa masa que falta es lo que se convierte en energía que, en forma de rayos gamma, se expande desde el núcleo hacia la superficie en los primeros 500.000 km de espesor de la esfera solar por radiación. Ahí alcanza la zona en que el transporte es ya por convección y que permite a los fotones, después de un largo viaje de miles de años, alcanzar la superficie solar.

Se calcula que en la parte interna del Sol se fusionan 700 millones de toneladas de hidrógeno cada segundo, y la pérdida de masa, que se transforma en energía solar, se cifra en 4,3 millones de toneladas por segundo. La estabilidad del Sol como estrella se consigue por el equilibrio entre las fuerzas interiores, que tienden a expandirla, y las fuerzas de gravitación, que tienden a comprimirla. A ese ritmo de transformación, el Sol necesitará más de 6.000 millones de años para consumir el 10 % del hidrógeno que posee. Cuando, en un futuro, esto se produzca, significará que el hidrógeno del sol comienza a escasear, y las fuerzas de gravitación serán más importantes que las fuerzas interiores, por lo que el Sol se colapsará y empezará a morir.

El Sol se encuentra a 149,5 millones de kilómetros y su luz tarda 8,3 minutos en llegar a la superficie terrestre, a una velocidad de 300.000 km/s. La radiación solar llega a la Tierra como ondas electromagnéticas en forma de fotones, que no necesitan un medio físico para su propagación, y se desplazan por el espacio en todas las direcciones.

Recuerde

El Sol es la estrella más próxima a la Tierra. Tiene un radio de unos 700.000 km y una masa de 2 × 1030 kg, unas 330.000 veces la de la Tierra.

La cantidad de energía que transporta cualquier onda es proporcional a la frecuencia. La frecuencia es el número de veces que se repite una onda completa por unidad de tiempo. La unidad de medida de la frecuencia es el hercio (Hz), o también el s-1. Cuanto mayor es la frecuencia, mayor es la energía que la onda transporta y, por tanto, mayor es el efecto cuando impacta sobre un cuerpo.

Otro parámetro característico de las radiaciones es la longitud de onda, que se define como la distancia, medida en la dirección de propagación de la onda, entre dos puntos de esta, cuyo estado de movimiento es idéntico, como por ejemplo, crestas o valles adyacentes.

La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia. Por tanto, cuanto más pequeña sea la longitud de onda, más grande será la frecuencia, es decir, más veces se repite la onda en el tiempo y, por tanto, puede ser transportada mayor energía. La longitud de onda (λ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas se relacionan mediante la expresión:

Son importantes para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas se desplazan en el vacío a la velocidad de la luz (c).

En función de la frecuencia, las radiaciones tienen más o menos capacidad de penetración en los materiales: cuanto más corta sea la longitud de onda, más facilidad para hacerlo.

Sabía que...

Aunque el día esté nublado los paneles fotovoltaicos producen electricidad.

Aplicación práctica

Manuel ha recibido los datos de frecuencia de varios tipos de ondas del espectro electromagnético. Entre ellas debe elegir cuál tendrá más capacidad de penetración en los materiales. Dichas frecuencias son de 100, 200 y 300 Hz respectivamente.

¿Cuál deberá elegir?

SOLUCIÓN

Manuel sabe que interpretando el gráfico anterior y observando la expresión λ=c/f, a mayor frecuencia existe menor longitud de onda y mayor penetración, por lo que tendría que utilizar la onda de 300 Hz de frecuencia.

El Sol emite constantemente cantidades enormes de energía. Un cálculo teórico basado en la Ley de Planck permite afirmar que el flujo total de energía emitido por el Sol en todo el rango de frecuencias equivale a 3,8 × 1023 (o sea, 380.000 trillones de kW). De esa energía emitida por el Sol, solo una pequeña parte llega a la Tierra, aunque esa pequeña cantidad sería más que suficiente para cubrir la demanda mundial de todo un año. De la energía que llega, la atmósfera, afortunadamente, absorbe una gran parte.

La Ley de Planckdescribe la radiación electromagnética emitida por un cuerpo negro en equilibrio térmico en una temperatura definida. Dicha ley sirve para calcular la intensidad de la radiación emitida por un cuerpo negro para una determinada temperatura y longitud de onda.

Sabía que...

Un cuerpo negro es un objeto ideal, que no existe en la naturaleza, que absorbe toda la energía que incide en él y no refleja ninguna.

La energía que llega a la parte alta de la atmósfera es una mezcla de radiaciones de longitudes de onda, formada por radiación ultravioleta, luz visible y radiación infrarroja. Estas constituyen el espectro solar terrestre que podemos ver en la siguiente imagen.

Para medir la cantidad de energía solar que llega a la frontera exterior que delimita la atmósfera, se establece la constante solar.

La constante solar nos sirve para formar el valor correspondiente a la energía que incide perpendicularmente sobre 1 m 2de la parte exterior de la atmósfera.

Se llama constante solar a la radiación solar (flujo o densidad de potencia de la radiación solar) recogida fuera de la atmósfera sobre una superficie perpendicular a los rayos solares. No es un valor constante, puesto que la distancia entre el Sol y la Tierra tampoco lo es, y esta depende de la distancia. Oscila en valores entre 1.400 y 1.310 W/m 2, tomándose como valor establecido 1.353 W/m 2, variando en un ±3 % durante el año por ser la órbita terrestre elíptica.