ESTUDIO Y BALANCE DE RADIACION SOLAR

UNIVERSIDAD CESAR VALLEJOFACULTAD DE INGENIERA AMBIENTAL

NOMBRE:PERCA GUILLEN, Rosario Elisa

CURSO: METEOROLOGIA Y CLIM ATOLOGIA

Octubre 2015Docente: Mg. Ing Luis F. Gamarra Chavarry

PRACTICA N 03ESTUDIO Y BALANCE DE RADIACION SOLAR

1. FINALIDAD

La presente prctica tiene como finalidad, brindar a los estudiantes los aspectos matemticos para el tratamiento de datos promedios de radiacin solar (global, absorbida o al tope de la atmsfera), a fin de obtener grficos que permitan interpretar su variacin respecto al tiempo (diario, mensual, anual y multianual) y al espacio (latitudinal). Asimismo, calcular el balance de radiacin solar de una zona determinada del Territorio Peruano, utilizando frmulas para la determinacin de la radiacin emitida por la superficie terrestre, lo que permitir a los alumnos tener nociones bsicas para el desarrollo de estudios e investigacin, respecto al aprovechamiento de la energa solar en las diferentes actividades del hombre.

2. OBJETIVOS

2.1. Conocer la variacin latitudinal de la radiacin solar al tope de la atmsfera (Qs).

2.2. Analizar la variacin temporal de la radiacin solar directa y difusa incidente para algunas estaciones del Per.

2.3. Encontrar la relacin entre la radiacin global (directa y difusa) con respecto a las horas de sol.

2.4. Calcular el balance de radiacin para la superficie terrestre.

3. GENERALIDADES

3.1. Radiacin Solar incidente en el tope de la atmsfera (Qs)

Es sumamente importante conocer el potencial energtico procedente del sol (energa solar) para diferentes lugares y pocas del ao, con la finalidad de tener una idea clara de la cantidad de energa que recibe la tierra en el tope de la atmsfera, que es posteriormente transformada y utilizada gran parte en generar los movimientos atmosfricos y ocenicos, convirtiendo al primero en una fenomenal mquina trmica. Por otra parte, su aprovechamiento por el hombre para satisfacer sus necesidades est tomando auge en la era actual.

La radiacin solar incidente en el tope de la atmsfera (Qs) es funcin de la distancia media entre el sol y la tierra, la latitud, el ngulo horario y la declinacin del sol, mediante la siguiente expresin:

Qs = (1440/(). S. (d/di)2 (H1.sen(.sen( + cos(.cos(.senH)

Ly/da

Donde:

S = Constante solar (Ly/min o W/m2)

( = Latitud ()

( = Declinacin ()

H = Angulo horario () [= Arc.cos (-Tg(.Tg()]

H1= Angulo horario en radianes

(d/di)2= Relacin entre la distancia media y la distancia instantnea sol tierra

La figura 1 muestra los valores de Qs a nivel promedio, para las latitudes norte y sur del hemisferio, obtenidas a partir de la ecuacin anterior.3.2. Radiacin solar en superficie (Q +q)i.

La radiacin solar en el tope de la atmsfera en su recorrido a travs de la masa atmosfrica sufre procesos de absorcin, reflexin y transmisin por los constituyentes atmosfricos, nubes y aerosoles, para luego recin llegar a superficie con una menor intensidad como radiacin solar directa (Q) y radiacin solar difusa (q), que es la que puede ser cuantificada o medida por instrumental instalado en superficie y la que requiere de un estudio y anlisis para su mejor utilizacin.

3.3. Horas de sol (n)

Se denomina as, al periodo durante el da en el que la radiacin solar incide sobre la superficie (se dice horas en que hay sol), llamado tambin horas de brillo solar, ste parmetro es de fcil medicin y puede utilizarse para calcular indirectamente mediante algn tipo de correlacin, datos aproximados de radiacin solar incidente, principalmente.

3.4. Fotoperiodo (N)

Segn el recorrido aparente del sol, en sus movimientos de rotacin y traslacin, los rayos del sol se proyectan hacia la tierra formando diferentes ngulos con la superficie de acuerdo a la latitud del lugar. Como consecuencia de sta incidencia la duracin del da o la duracin de horas de sol mxima en cada latitud es diferente y es lo que se denomina Fotoperiodo, y est nicamente en funcin de la latitud (() y del movimiento aparente del sol, llamado declinacin (().

3.5. Balance de radiacin (Rn)

Denominada tambin Radiacin Neta, se refiere a las relaciones establecidas entre la radiacin que llega a superficie y la que sale de ella, con la finalidad de determinar la cantidad de energa disponible por la superficie para cumplir diferentes funciones, tales como suministrar calor a los cultivos, calentar el suelo a diferentes profundidades, etc.

4. MATERIALES Y PROCEDIMIENTO

4.1. Material de trabajo

Los materiales a utilizar en la realizacin de la presente prctica son los siguientes:

Software Excell

Material de dibujo

Calculadora

Datos de radiacin solar

4.2. Procedimiento

4.2.1. Radiacin Solar en el Tope de la Atmsfera (Qs)

Variacin Latitudinal de QsHaciendo uso de la figura 1, obtener en forma aproximada y graficar posteriormente los valores de Qs (radiacin solar en el tope de la atmsfera), intersectando la lnea de latitud (horizontal) con la lnea del mes correspondiente (vertical) y leer el valor de la isolnea que corresponde al punto de interseccin, si no coincide con ninguna, entonces interpolar los valores de las isolineas. Realizar este procedimiento para las latitudes (0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 y 90), del hemisferio Sur.

Tambin puede hacer uso de las tablas N 1 y N 2, teniendo en cuenta que un milmetro de agua es igual a 59.7 caloras.

4.2.2. Radiacin Solar incidente (Q + q)i en superficie

a. variacin horaria de la Radiacin Solar (Q + q)i.

En la tabla 3 se muestran datos de mediciones horarias de radiacin solar. Con sta informacin representar en un sistema de coordenadas (Q + q)i en W/m2 Vs. Horas, (ordenadas y abscisas respectivamente). La variacin horaria de radicacin solar para un da. Llenar el cuadro 1. TABLA 3Radiacin Solar (Q + q)i Horaria (W/m2)Estacin La MolinaDIA DESPEJADODIA CUBIERTO

Fecha: 11/Feb/91Fecha: 10/Feb/91

Hora(Q + q)Hora(Q + q)

0739.450724.04

08214.8908173.19

09480.9409626.37

10768.9910564.18

111047.16111043.32

121243.16121030.18

131322.99131116.40

141290.27141272.77

151137.69151133.90

16876.7516880.29

17583.1117578.70

18272.5018281.70

CUADRO I

ESTACION:

DESPEJADOCUBIERTO

(Q + q)i mx: 1322.99(Q + q)i mn: 39.45(Q + q)i mx: 1272.77(Q + q)i mn: 24.04

Hora: 13Hora: 07Hora: 14Hora: 07

b. Variacin diaria de la Radiacin Solar (Q + q)iEn la tabla 4 se muestran datos de mediciones diarias de radiacin solar y heliofana. con esta informacin representar en un sistema de coordenadas (Q + q)i Vs. Das, ordenadas y abscisas respectivamente; de manera similar represente en el mismo sistema de coordenadas (cambiando de escala y unidades) heliofana Vs. Meses (complete el cuadro II) e interprete esta relacin.

CUADRO II

ESTACION:

(Q + q) i mx: 375.2 Da: 15(Q + q) i mn: 153.9Da: 2 y 16

Heliofana (mx): 12.1Da: 1Heliofana (mn): 0.0Da:12

TABLA 4Radiacin Solar (Q + q)i cal.gr/cm2 diariaEstacin UNPRG-Lambayeque - de Mayo de 1983DaHeliofanaRadiacin Global (Q + q)

(horas de sol)cal.gr/cm2

112.1529.1

23.6153.9

35.0211.6

45.8307.8

56.8384.8

60.7250.1

79.0269.3

88.0346.3

92.9259.7

104.0298.2

112.2230.9

120.0192.4

133.8298.2

145.9346.3

157.4375.2

160.2153.9

172.4259.7

185.4317.4

194.7404.0

208.9461.7

211.7240.5

229.2346.3

235.0327.1

246.4365.5

251.6221.2

267.2307.8

272.4221.2

283.1317.4

290.4240.5

300.3240.5

311.5250.1

Total137.69128.6

Promedio4.4294.5

c. Variacin anual de la Radiacin Solar

c.1. En la tabla 5 se presentan datos promedios mensuales de (Q +q)i para cinco localidades en el Per. Representar en un sistema de coordenadas (Q + q)i Vs. Meses, las curvas anuales de variacin de la radiacin solar y llenar el cuadro III.

c.2. En un sistema tiempo (meses) Vs. Radiacin solar, graficar para los 12S (estacin La Catlica), valores de Qs (utilice la tabla 2 y multiplique estos valores por 59.7 Ly/da) y de (Q + q)i tabla 5 y explicar las causas posibles de esta diferencia.

CUADRO III

LOCALIDADMXIMASMINIMAS

Ly/daMesLy/daMes

La Catlica487FEBRERO134AGOSTO

Huayao637OCTUBRE515JUNIO

Huaraz529NOVIEMBRE432JULIO

Lambayeque520FEBRERO333JULIO

Yurimaguas416SEPTIEMBRE327ENERO

TABLA 5Radiacin Solar Promedio (Q + q)i Langley/daPara Diferentes Puntos del Pas

MesesLa CatlicaHuayaoHuarazLambayequeYurimaguas

Enero432603516502327

Febrero487563469520357

Marzo455621464496355

Abril401539469449332

Mayo196523436414340

Junio137515440376320

Julio139533432333371

Agosto134583509374407

Septiembre197591504438416

Octubre209637524495397

Noviembre406604529463408

Diciembre402703522490387

La catlica: 12 04 S 77 04 W 70 m.s.n.m.Huayao : 12 02 S 75 19 W 3,313 m.s.n.m.Huaraz : 09 31 S 77 31 W 3,091 m.s.n.m.Lambayeque: 06 42 S 79 55 W 18 m.s.n.m.Yurimaguas : 05 54 S 76 05 W 179 m.s.n.m.d. Variacin Multianual de Radiacin Solar

Con los datos presentados en la tabla 6, realizar un grfico de radiacin Solar Vs. promedio mensual (elija un ao) y otro grfico de radiacin solar Vs. promedio anual y explicar la tendencia de la variacin de ambos grficos.

TABLA 6Radiacin Solar Promedio (Q + q)i Langley/daEstacin HuayaoEneFebMarAbrMayJunJulAgoSepOctNovDicP. Anual

1969586579576571532494563610635647580590580.25

1970597597582508525494505590592662646600574.83

1971623570540554559625648664686553563623600.67

1972563626493567506499502556583597687596564.58

1973529565530624534482498534530586591508542.58

1974500531594514552466502661631561561561552.83

1975561552545568496475545573571688658570566.83

1976585538577561526476507536554691702641574.50

1977602485586591532498487510549565434564533.58

1978540620587527569498500514518555550506540.33

1979609431448514500514468398480541525535496.92

1980621583558599541555515458352435350106472.75

1981575574559600522548572473532515515515541.67

1982577563551550521508517549567607616574558.33

Prom.576558552561530509524545556586570535

4.2.3. Estimacin del Balance de Radiacin

El balance de Radiacin en la superficie de la tierra, conocida como radiacin neta (Rn) o radiacin efectiva para la superficie terrestre se refiere a la radiacin neta en onda corta menos la radiacin neta en onda larga, se puede determinar mediante la siguiente relacin:

Rn = (Q + q)i. (1 - () + ( Ii It )

Donde:

(Q + q) =Radiacin global (suma de radiacin directa y la difusa en onda corta).

=Albedo de la superficie

En general:

(Q + q)i. (1 - () = Rnoc, es la radiacin neta en onda corta recibida por una superficie o por un cultivo. Este balance en onda corta se limita al fotoperiodo. Conociendo el valor de (Q+q), registrada en una estacin meteorolgica y el albedo (() de la superficie. Se calcula la radiacin neta en onda corta.

( Ii It ) = Rnol, representa la radiacin neta en onda larga, ste balance en onda larga se efecta da y noche, no se limita al fotoperiodo. Debido al elevado costo del instrumental para obtener el valor de radiacin en onda larga, es que se han determinado ecuaciones empricas, siendo la ms utilizada para calcular la radiacin neta en onda larga.

( Ii It )= -(. T4 .(0.56 0.079 (e ) . ( 0.1 + n/N)

Donde:

e =Presin de vapor actual (mb)

n = Horas de sol reales o medidas

N = Fotoperiodo [ = 2W/15 ]

H = Arcos.(-Tg (.Tg ()

[( = Latitud, ( = Declinacin]

( = 1.17 x 10-7 Ly/daK4 = 1.9615 x 10-9 mm/da K4

Con los datos de la tabla 7, realizar el balance de radiacin. Llenando el cuadro IV, para lo que tendr que calcular primeramente el fotoperodo correspondiente a la latitud de la estacin meteorolgica de Huayao que se indica en la tabla 7. Para calcular el fotoperodo utilice la tabla 8. TABLA 7Datos para el clculo del Balance de Radiacin SolarEstacin HuayaoMeses(Q + q)(Q + q)i.(1 - ( )Horas de sol (n)T aire (C)e (mb)

Ene5854685.010.99.9

Feb538430.44.410.69.9

Mar576460.85.111.010.1

Abr562449.66.610.18.4

May526420.87.510.17.9

Jun476380.87.99.27.2

Jul506404.88.78.76.6

Ago538430.47.410.37.3

Sep562449.66.311.27.8

Oct691552.88.212.57.8

Nov702561.68.112.28.1

Dic641512.86.011.79.0

Utilice ( = 20% (1 - ( ) = (1 - 0.2) = 0.8CUADRO IV

MESESEFMAMJJASOND

Rnoc

Rnol

RN

5. AMBITO GEOGRAFICO

La prctica se realizar a nivel de gabinete, no disponindose de una estacin meteorolgica e instrumentos de radiacin solar, quedando pendiente complementar la presente prctica en la estacin meteorolgica CP-Campo de Marte y en el laboratorio del Servicio Nacional de Meteorologa e Hidrologa SENAMHI, as como tambin desarrollar un plan de trabajo en un viaje al interior del pas.

6. NIVEL DE LA PRACTICA

El nivel de la prctica est comprendido segn la Organizacin Meteorolgica Mundial como para formacin del personal meteorolgico Clase IV.

TABLA 8Distribucin anual de los valores medios del ngulo de declinacin solar ( ( ) para periodos mensualesMeses(

Ene-21.13

Feb-13.03

Mar-2.52

Abr9.78

May19.02

Jun23.35

Jul21.37

Ago13.49

Sep1.87

Oct-9.91

Nov-19.34

Dic-23.34

7. INSTRUMENTOS

Los alumnos reconocern los instrumentos de radiacin que dispone el Servicio Nacional de Meteorologa e Hidrologa SENAMHI, como por ejemplo:

Heligrafo

Actingrafo

Piranmetro

Solarmetro8. METODOS Y TCNICAS

La metodologa a seguir est comprendida segn el curso de Mtodos y Tcnicas de observacin meteorolgica, para lo cual el profesor indicar a los alumnos en forma sucinta el contenido de la prctica, en funcin a informacin de radiacin solar y la forma de completar los cuadros adjuntos.9. CRONOGRAMA

Segn el cronograma oficial de la Universidad, se tratar de brindar los mtodos y tcnicas bsicas de observacin y medicin de la presin atmosfrica.

10. GLOSARIO

Se entregar a los alumnos un Glosario General de trminos meteorolgicos para su familiarizacin con las ciencias meteorolgica y climatolgica.

11. CUESTIONARIO

1. A qu se debe la variacin latitudinal de Qs?

2. Explicar la diferencia en magnitud de Qs y (Q + q)i para una distribucin anual a una misma latitud.

3. Explicar la variacin de Radiacin Neta (RN) con el tiempo.

4. Discuta la relacin existente entre (Q + q)i y heliofana.

12. CONCLUSIONES

Al trmino de la prctica el alumno puede concluir que:

a. A travs del ao la radiacin solar incidente presenta valores mximos en los meses de verano, con respecto a los meses de invierno en que los valores son mnimos.

b. El registro de horas de sol, ayuda a la cuantificacin indirecta de Radiacin Solar.

c. Mediante el procedimiento de estimacin del Balance de Radiacin se puede encontrar la variacin estacional de la energa que requiere absorber la superficie para sus diversos fines.13. BIBLIOGRAFIA

Los indicados en el silabosTABLA 1Radiacin Solar en el Tope de la Atmsfera (Qs)Expresado como mm de agua evaporable con una constante solarS = 2.00 cal.cm-2.min-1HEMISFERIO NORTELatitud NEneFebMarAbrMayJunJulAgoSepOctNovDic

503,816,109,4112,7115,7617,1216,4414,0710,857,374,493,22

484,336,609,8113,0215,8817,1516,5014,2911,197,814,993,72

464,857,1010,2113,3216,0017,1916,5514,5111,538,255,494,27

445,307,6010,6113,6516,1217,2316,6014,7311,878,696,004,70

425,868,0511,0013,9916,2417,2616,6514,9512,209,136,515,19

406,448,5611,4014,3216,3617,2916,7015,1712,549,587,035,68

386,918,9811,7514,5016,3917,2216,7215,2712,819,987,526,10

367,389,3912,1014,6716,4317,1616,7315,3713,0810,598,006,62

347,859,8212,4414,8416,4617,0916,7515,4813,3510,798,507,18

328,3210,2412,7715,0016,5017,0216,7615,5813,6311,208,997,76

308,8110,6813,1415,1716,5316,9516,7815,6813,9011,619,498,31

289,2911,0913,3915,2616,4816,8316,6815,7114,0811,959,908,79

269,7911,5013,6515,3416,4316,7116,5815,7414,2612,3010,319,27

2410,2011,8913,9015,4316,3716,5916,4715,7814,4512,6410,719,73

2210,7011,3014,1615,5116,3216,4716,3715,8114,6412,9811,1110,20

2011,1912,7114,4115,6016,2716,3616,2715,8514,8313,3111,6110,68

1811,6013,0214,6015,6216,1116,1416,0915,7914,9413,5812,0211,12

1612,0013,3214,6915,6415,9915,9215,9115,7215,0413,8512,4311,57

1412,4113,6214,8915,6515,8315,7015,7215,6515,1414,1212,8412,02

1212,8213,9315,0815,6615,6715,4815,5315,5815,2414,3813,2512,47

1013,2214,2415,2615,6815,5115,2615,3415,5115,3414,6613,5612,88

813,5814,5015,3415,5915,2914,9915,0915,3915,3414,8113,8613,27

613,9414,7615,4215,4215,0714,7114,8515,2315,3414,9614,1713,66

414,3015,0115,5015,5014,8514,4414,5915,0715,3415,1114,4814,05

214,6515,2615,5915,3414,6314,1714,3314,9115,3415,2714,7914,44

015,0015,5115,6815,2814,4113,9014,0714,7515,3415,4215,0914,83

TABLA 2Radiacin Solar en el Tope de la Atmsfera (Qs)Expresado como mm de agua evaporable con una constante solarS = 2.00 cal.cm-2.min-1HEMISFERIO SURLatitud SEneFebMarAbrMayJunJulAgoSepOctNovDic

5017,5414,6610,857,034,243,053,475,518,9012,8816,5318,22

4817,6114,8611,197,474,733,513,955,999,3213,2516,6018,24

4617,6815,0611,537,915,223,974,436,479,7413,4316,6718,26

4417,7515,2711,878,355,714,434,906,9410,1613,7016,7318,28

4217,8215,4712,218,806,124,895,387,4210,5913,9716,8018,29

4017,8815,6812,549,246,615,345,857,8811,0214,2416,8718,31

3817,8615,8212,849,647,075,836,318,3211,3614,4416,9518,25

3617,8515,9613,1510,057,536,326,778,7611,7014,6417,0418,20

3417,8416,1013,4510,467,996,817,239,2012,0414,8517,1218,15

3217,8216,2313,7610,878,457,307,689,6412,3715,0517,2118,10

3017,8016,3614,0711,278,907,808,1410,0912,7115,2617,2918,05

2817,7016,3914,2511,319,328,248,6010,4712,9515,3617,2217,92

2617,6016,4314,4411,959,748,689,0610,8513,1915,4617,1517,79

2417,5016,4614,6212,2910,169,129,5211,2213,4315,5617,0817,65

2217,4016,5014,8012,6310,599,569,9711,5913,6615,6617,5117,51

2017,2916,5315,0012,9711,0210,0010,4211,9513,9015,7616,9517,37

1817,1116,4715,1013,2211,3710,4010,8112,2614,0915,7816,8017,10

1616,9316,4215,2013,4811,7310,8011,2012,5614,2815,7916,6516,83

1416,7416,3715,3113,7312,0911,2111,5912,8714,4715,8116,5016,61

1216,5516,3215,4113,9812,4511,6211,9813,1714,6515,8316,3516,49

1016,3616,2715,5114,2412,8012,0312,3713,4814,8315,8516,1916,27

816,0816,1115,5414,4413,1212,4012,7113,7314,9315,7615,9715,99

615,8115,9615,5814,6513,4412,7713,0513,9915,0315,6715,7515,70

415,5415,8115,6214,8513,7613,1513,3914,2515,1315,5915,5315,41

215,2716,6615,6515,0514,0813,5113,7314,5015,2415,5015,3115,12

015,0015,5115,6815,2614,4113,9014,0714,7515,3415,4215,0914,83

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