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UNIVERSIDAD CESAR VALLEJO FACULTAD DE INGENIERÍA AMBIENTAL

NOMB

:PERCA GUILLEN, Rosario Elisa

RE CURSO

: METEOROLOGIA Y CLIM ATOLOGIA

Octubre 2015

Docente: Mg. Ingº Luis F. Gamarra Chavarry

PRACTICA Nº 03 ESTUDIO Y BALANCE DE RADIACION SOLAR 1. FINALIDAD La presente práctica tiene como finalidad, brindar a los estudiantes los aspectos matemáticos para el tratamiento de datos promedios de radiación solar (global, absorbida o al tope de la atmósfera), a fin de obtener gráficos que permitan interpretar su variación respecto al tiempo (diario, mensual, anual y multianual) y al espacio (latitudinal). Asimismo, calcular el balance de radiación solar de una zona determinada del Territorio Peruano, utilizando fórmulas para la determinación de la radiación emitida por la superficie terrestre, lo que permitirá a los alumnos tener nociones básicas para el desarrollo de estudios e investigación, respecto al aprovechamiento de la energía solar en las diferentes actividades del hombre. 2. OBJETIVOS 2.1. Conocer la variación latitudinal de la radiación solar al tope de la atmósfera (Qs). 2.2. Analizar la variación temporal de la radiación solar directa y difusa incidente para algunas estaciones del Perú. 2.3. Encontrar la relación entre la radiación global (directa y difusa) con respecto a las horas de sol. 2.4. Calcular el balance de radiación para la superficie terrestre. 3. GENERALIDADES 3.1. Radiación Solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs) Es sumamente importante conocer el potencial energético procedente del sol (energía solar) para diferentes lugares y épocas del año, con la finalidad de tener una idea clara de la cantidad de energía que recibe la tierra en el tope de la atmósfera, que es posteriormente transformada y utilizada gran parte en generar los movimientos atmosféricos y oceánicos, convirtiendo al primero en una fenomenal máquina térmica. Por otra parte, su aprovechamiento por el hombre para satisfacer sus necesidades está tomando auge en la era actual. La radiación solar incidente en el tope de la atmósfera (Qs) es función de la distancia media entre el sol y la tierra, la latitud, el ángulo horario y la declinación del sol, mediante la siguiente expresión:

Qs = (1440/). S. (d/di)2 (H1.sen.sen + cos.cos.senH) Donde: S = Constante solar (Ly/min o W/m2)  = Latitud (º)  = Declinación (º) H = Angulo horario (º) [= Arc.cos (-Tg.Tg)] H1= Angulo horario en radianes (d/di)2= Relación entre la distancia media y la distancia instantánea sol – tierra

2

Ly/día

La figura 1 muestra los valores de Qs a nivel promedio, para las latitudes norte y sur del hemisferio, obtenidas a partir de la ecuación anterior. 3.2. Radiación solar en superficie (Q +q)i. La radiación solar en el tope de la atmósfera en su recorrido a través de la masa atmosférica sufre procesos de absorción, reflexión y transmisión por los constituyentes atmosféricos, nubes y aerosoles, para luego recién llegar a superficie con una menor intensidad como radiación solar directa (Q) y radiación 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 análisis para su mejor utilización. 3.3. Horas de sol (n) Se denomina así, al periodo durante el día en el que la radiación solar incide sobre la superficie (se dice horas en que hay sol), llamado también horas de brillo solar, éste parámetro es de fácil medición y puede utilizarse para calcular indirectamente mediante algún tipo de correlación, datos aproximados de radiación solar incidente, principalmente. 3.4. Fotoperiodo (N) Según el recorrido aparente del sol, en sus movimientos de rotación y traslación, los rayos del sol se proyectan hacia la tierra formando diferentes ángulos con la superficie de acuerdo a la latitud del lugar. Como consecuencia de ésta incidencia la duración del día o la duración de horas de sol máxima en cada latitud es diferente y es lo que se denomina Fotoperiodo, y está únicamente en función de la latitud () y del movimiento aparente del sol, llamado declinación (). 3.5. Balance de radiación (Rn) Denominada también Radiación Neta, se refiere a las relaciones establecidas entre la radiación que llega a superficie y la que sale de ella, con la finalidad de determinar la cantidad de energía 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 realización de la presente práctica son los siguientes: Software Excell Material de dibujo Calculadora Datos de radiación solar 4.2. Procedimiento 4.2.1. Radiación Solar en el Tope de la Atmósfera (Qs) Variación Latitudinal de Qs Haciendo uso de la figura 1, obtener en forma aproximada y graficar posteriormente los valores de Qs (radiación solar en el tope de la atmósfera), intersectando la línea de latitud (horizontal) con la línea del mes correspondiente (vertical) y leer el valor de la isolínea que corresponde al punto de intersección, si no coincide con ninguna, entonces interpolar los valores de las isolineas. Realizar este procedimiento para las latitudes (0º, 10º, 20º, 30º, 40º, 50º, 60º, 70º, 80º y 90º), del hemisferio Sur. También puede hacer uso de las tablas Nº 1 y Nº 2, teniendo en cuenta que un milímetro de agua es igual a 59.7 calorías. 4.2.2. Radiación Solar incidente (Q + q)i en superficie a. variación horaria de la Radiación Solar (Q + q)i. 3

En la tabla 3 se muestran datos de mediciones horarias de radiación solar. Con ésta información representar en un sistema de coordenadas (Q + q)i en W/m2 Vs. Horas, (ordenadas y abscisas respectivamente). La variación horaria de radicación solar para un día. Llenar el cuadro 1.

TABLA 3 Radiación Solar (Q + q)i Horaria (W/m2) Estación La Molina DIA DESPEJADO Fecha: 11/Feb/91 Hora (Q + q) 07 39.45 08 214.89 09 480.94 10 768.99 11 1047.16 12 1243.16 13 1322.99 14 1290.27 15 1137.69 16 876.75 17 583.11 18 272.50

DIA CUBIERTO Fecha: 10/Feb/91 Hora (Q + q) 07 24.04 08 173.19 09 626.37 10 564.18 11 1043.32 12 1030.18 13 1116.40 14 1272.77 15 1133.90 16 880.29 17 578.70 18 281.70

CUADRO I ESTACION: DESPEJADO

CUBIERTO

(Q + q)i máx: 1322.99

(Q + q)i mín: 39.45

(Q + q)i máx: 1272.77

(Q + q)i mín: 24.04

Hora: 13

Hora: 07

Hora: 14

Hora: 07

4

b.

Variación diaria de la Radiación Solar (Q + q)i En la tabla 4 se muestran datos de mediciones diarias de radiación solar y heliofanía. con esta información representar en un sistema de coordenadas (Q + q)i Vs. Días, ordenadas y abscisas respectivamente; de manera similar represente en el mismo sistema de coordenadas (cambiando de escala y unidades) heliofanía Vs. Meses (complete el cuadro II) e interprete esta relación. CUADRO II ESTACION: (Q + q) i máx: 375.2 Día: 15

(Q + q) i mín: 153.9 Día: 2 y 16

Heliofanía (máx): 12.1 Día: 1

Heliofanía (mín): 0.0 Día:12

TABLA 4 Radiación Solar (Q + q)i cal.gr/cm2 diaria Estación UNPRG-Lambayeque - de Mayo de 1983 Día

Heliofanía (horas de sol)

Radiación Global (Q + q) cal.gr/cm2

5

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Total Promedio

12.1 3.6 5.0 5.8 6.8 0.7 9.0 8.0 2.9 4.0 2.2 0.0 3.8 5.9 7.4 0.2 2.4 5.4 4.7 8.9 1.7 9.2 5.0 6.4 1.6 7.2 2.4 3.1 0.4 0.3 1.5 137.6 4.4

529.1 153.9 211.6 307.8 384.8 250.1 269.3 346.3 259.7 298.2 230.9 192.4 298.2 346.3 375.2 153.9 259.7 317.4 404.0 461.7 240.5 346.3 327.1 365.5 221.2 307.8 221.2 317.4 240.5 240.5 250.1 9128.6 294.5

6

c.

Variación anual de la Radiación Solar c.1. En la tabla 5 se presentan datos promedios mensuales de (Q +q) i para cinco localidades en el Perú. Representar en un sistema de coordenadas (Q + q) i Vs. Meses, las curvas anuales de variación de la radiación solar y llenar el cuadro III. c.2. En un sistema tiempo (meses) Vs. Radiación solar, graficar para los 12ºS (estación La Católica), valores de Qs (utilice la tabla 2 y multiplique estos valores por 59.7 Ly/día) y de (Q + q)i tabla 5 y explicar las causas posibles de esta diferencia.

LOCALIDAD

CUADRO III MÁXIMAS

MINIMAS

Ly/día

Mes

Ly/día

Mes

La Católica

487

FEBRERO

134

AGOSTO

Huayao

637

OCTUBRE

515

JUNIO

Huaraz

529

NOVIEMBR E

432

JULIO

Lambayeque

520

FEBRERO

333

JULIO

Yurimaguas

416

SEPTIEMBR E

327

ENERO

TABLA 5 Radiación Solar Promedio (Q + q)i Langley/día Para Diferentes Puntos del País Meses Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio

La Católica 432 487 455 401 196 137 139

Huayao 603 563 621 539 523 515 533

Huaraz 516 469 464 469 436 440 432

7

Lambayeque 502 520 496 449 414 376 333

Yurimaguas 327 357 355 332 340 320 371

Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

134 197 209 406 402

583 591 637 604 703

La católica: 12º 04´ S 77º 04´ W

509 504 524 529 522

407 416 397 408 387

70 m.s.n.m.

Huayao

: 12º 02´ S 75º 19´ W 3,313 m.s.n.m.

Huaraz

: 09º 31´ S 77º 31´ W 3,091 m.s.n.m.

Lambayeque: 06º 42´ S 79º 55´ W

18 m.s.n.m.

Yurimaguas : 05º 54´ S 76º 05´ W

179 m.s.n.m.

d.

374 438 495 463 490

Variación Multianual de Radiación Solar Con los datos presentados en la tabla 6, realizar un gráfico de radiación Solar Vs. promedio mensual (elija un año) y otro gráfico de radiación solar Vs. promedio anual y explicar la tendencia de la variación de ambos gráficos. TABLA 6 Radiación Solar Promedio (Q + q)i Langley/día Estación Huayao

1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976

Ene 586 597 623 563 529 500 561 585

Feb 579 597 570 626 565 531 552 538

Mar 576 582 540 493 530 594 545 577

Abr May Jun Jul Ago 571 532 494 563 610 508 525 494 505 590 554 559 625 648 664 567 506 499 502 556 624 534 482 498 534 514 552 466 502 661 568 496 475 545 573 561 526 476 507 536

8

Sep 635 592 686 583 530 631 571 554

Oct 647 662 553 597 586 561 688 691

Nov 580 646 563 687 591 561 658 702

Dic P. Anual 590 580.25 600 574.83 623 600.67 596 564.58 508 542.58 561 552.83 570 566.83 641 574.50

1977 1978 1979 1980 1981 1982 Prom.

602 540 609 621 575 577 576

485 620 431 583 574 563 558

586 587 448 558 559 551 552

591 527 514 599 600 550 561

532 569 500 541 522 521 530

498 498 514 555 548 508 509

487 500 468 515 572 517 524

510 514 398 458 473 549 545

549 518 480 352 532 567 556

565 555 541 435 515 607 586

434 550 525 350 515 616 570

564 506 535 106 515 574 535

533.58 540.33 496.92 472.75 541.67 558.33

4.2.3. Estimación del Balance de Radiación El balance de Radiación en la superficie de la tierra, conocida como radiación neta (Rn) o radiación efectiva para la superficie terrestre se refiere a la radiación neta en onda corta menos la radiación neta en onda larga, se puede determinar mediante la siguiente relación:

Rn = (Q + q)i. (1 - ) + ( Ii – It ) Donde: (Q + q)

= Radiación global (suma de radiación directa y la difusa en onda corta).



= Albedo de la superficie

En general: (Q + q)i. (1 - ) = Rnoc, es la radiación 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 estación meteorológica y el albedo () de la superficie. Se calcula la radiación neta en onda corta. ( Ii – I t )

=

Rnol, representa la radiación neta en onda larga, éste balance en onda larga se efectúa día y noche, no se limita al fotoperiodo. Debido al elevado costo del instrumental para obtener el valor de radiación en onda larga, es que se han determinado ecuaciones empíricas, siendo la más utilizada para calcular la radiación neta en onda larga.

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

9

Donde: e = Presión de vapor actual (mb) n = Horas de sol reales o medidas N = Fotoperiodo [ = 2W/15 ] H = Arcos.(-Tg .Tg ) [ = Latitud,

 = Declinación]

 = 1.17 x 10-7 Ly/díaºK4 = 1.9615 x 10-9 mm/día ºK4 Con los datos de la tabla 7, realizar el balance de radiación. Llenando el cuadro IV, para lo que tendrá que calcular primeramente el fotoperíodo correspondiente a la latitud de la estación meteorológica de Huayao que se indica en la tabla 7. Para calcular el fotoperíodo utilice la tabla 8. TABLA 7 Datos para el cálculo del Balance de Radiación Solar Estación Huayao Meses Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

(Q + q)

(Q + q)i.(1 -  )

585 538 576 562 526 476 506 538 562 691 702 641

468 430.4 460.8 449.6 420.8 380.8 404.8 430.4 449.6 552.8 561.6 512.8

Horas de sol (n) 5.0 4.4 5.1 6.6 7.5 7.9 8.7 7.4 6.3 8.2 8.1 6.0

Tº aire (ºC) 10.9 10.6 11.0 10.1 10.1 9.2 8.7 10.3 11.2 12.5 12.2 11.7

e

(mb) 9.9 9.9 10.1 8.4 7.9 7.2 6.6 7.3 7.8 7.8 8.1 9.0

Utilice  = 20% (1 -  ) = (1 - 0.2) = 0.8

MESES

E

F

M

CUADRO IV A M

J

J

A

S

O

N

D

Rnoc Rnol RN

5. AMBITO GEOGRAFICO La práctica se realizará a nivel de gabinete, no disponiéndose de una estación meteorológica e instrumentos de radiación solar, quedando pendiente complementar la presente práctica en la estación meteorológica CP-Campo de Marte y en el laboratorio del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología SENAMHI, así como también desarrollar un plan de trabajo en un viaje al interior del país.

10

6. NIVEL DE LA PRACTICA El nivel de la práctica está comprendido según la Organización Meteorológica Mundial como para formación del personal meteorológico Clase IV. TABLA 8 Distribución anual de los valores medios del ángulo de declinación solar ( º ) para periodos mensuales º -21.13 -13.03 -2.52 9.78 19.02 23.35 21.37 13.49 1.87 -9.91 -19.34 -23.34

Meses Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic

7. INSTRUMENTOS Los alumnos reconocerán los instrumentos de radiación que dispone el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología SENAMHI, como por ejemplo:  Heliógrafo  Actinógrafo  Piranómetro  Solarímetro 8. METODOS Y TÉCNICAS La metodología a seguir está comprendida según el curso de Métodos y Técnicas de observación meteorológica, para lo cual el profesor indicará a los alumnos en forma sucinta el contenido de la práctica, en función a información de radiación solar y la forma de completar los cuadros adjuntos. 9. CRONOGRAMA Según el cronograma oficial de la Universidad, se tratará de brindar los métodos y técnicas básicas de observación y medición de la presión atmosférica. 10. GLOSARIO Se entregará a los alumnos un Glosario General de términos meteorológicos para su familiarización con las ciencias meteorológica y climatológica. 11. CUESTIONARIO 1. A qué se debe la variación latitudinal de Qs? 2. Explicar la diferencia en magnitud de Qs y (Q + q)i para una distribución anual a una misma latitud. 3. Explicar la variación de Radiación Neta (RN) con el tiempo. 4. Discuta la relación existente entre (Q + q)i y heliofanía. 12. CONCLUSIONES Al término de la práctica el alumno puede concluir que: a. A través del año la radiación solar incidente presenta valores máximos en los meses de verano, con respecto a los meses de invierno en que los valores son mínimos. 11

b. El registro de horas de sol, ayuda a la cuantificación indirecta de Radiación Solar. c. Mediante el procedimiento de estimación del Balance de Radiación se puede encontrar la variación estacional de la energía que requiere absorber la superficie para sus diversos fines. 13. BIBLIOGRAFIA Los indicados en el silabos TABLA 1 Radiación Solar en el Tope de la Atmósfera (Qs) Expresado como mm de agua evaporable con una constante solar S = 2.00 cal.cm-2.min-1 HEMISFERIO NORTE Latitud N 50º 48º 46º 44º 42º 40º 38º 36º 34º 32º 30º 28º 26º 24º 22º 20º 18º 16º 14º 12º 10º 8º 6º 4º 2º 0º

Ene 3,81 4,33 4,85 5,30 5,86 6,44 6,91 7,38 7,85 8,32 8,81 9,29 9,79 10,20 10,70 11,19 11,60 12,00 12,41 12,82 13,22 13,58 13,94 14,30 14,65 15,00

Feb 6,10 6,60 7,10 7,60 8,05 8,56 8,98 9,39 9,82 10,24 10,68 11,09 11,50 11,89 11,30 12,71 13,02 13,32 13,62 13,93 14,24 14,50 14,76 15,01 15,26 15,51

Mar 9,41 9,81 10,21 10,61 11,00 11,40 11,75 12,10 12,44 12,77 13,14 13,39 13,65 13,90 14,16 14,41 14,60 14,69 14,89 15,08 15,26 15,34 15,42 15,50 15,59 15,68

Abr 12,71 13,02 13,32 13,65 13,99 14,32 14,50 14,67 14,84 15,00 15,17 15,26 15,34 15,43 15,51 15,60 15,62 15,64 15,65 15,66 15,68 15,59 15,42 15,50 15,34 15,28

May 15,76 15,88 16,00 16,12 16,24 16,36 16,39 16,43 16,46 16,50 16,53 16,48 16,43 16,37 16,32 16,27 16,11 15,99 15,83 15,67 15,51 15,29 15,07 14,85 14,63 14,41

12

Jun 17,12 17,15 17,19 17,23 17,26 17,29 17,22 17,16 17,09 17,02 16,95 16,83 16,71 16,59 16,47 16,36 16,14 15,92 15,70 15,48 15,26 14,99 14,71 14,44 14,17 13,90

Jul 16,44 16,50 16,55 16,60 16,65 16,70 16,72 16,73 16,75 16,76 16,78 16,68 16,58 16,47 16,37 16,27 16,09 15,91 15,72 15,53 15,34 15,09 14,85 14,59 14,33 14,07

Ago 14,07 14,29 14,51 14,73 14,95 15,17 15,27 15,37 15,48 15,58 15,68 15,71 15,74 15,78 15,81 15,85 15,79 15,72 15,65 15,58 15,51 15,39 15,23 15,07 14,91 14,75

Sep 10,85 11,19 11,53 11,87 12,20 12,54 12,81 13,08 13,35 13,63 13,90 14,08 14,26 14,45 14,64 14,83 14,94 15,04 15,14 15,24 15,34 15,34 15,34 15,34 15,34 15,34

Oct 7,37 7,81 8,25 8,69 9,13 9,58 9,98 10,59 10,79 11,20 11,61 11,95 12,30 12,64 12,98 13,31 13,58 13,85 14,12 14,38 14,66 14,81 14,96 15,11 15,27 15,42

Nov 4,49 4,99 5,49 6,00 6,51 7,03 7,52 8,00 8,50 8,99 9,49 9,90 10,31 10,71 11,11 11,61 12,02 12,43 12,84 13,25 13,56 13,86 14,17 14,48 14,79 15,09

Dic 3,2 3,7 4,2 4,7 5,1 5,6 6,1 6,6 7,1 7,7 8,3 8,7 9,2 9,7 10,2 10,6 11,1 11,5 12,0 12,4 12,8 13,2 13,6 14,0 14,4 14,8

TABLA 2 Radiación Solar en el Tope de la Atmósfera (Qs) Expresado como mm de agua evaporable con una constante solar S = 2.00 cal.cm-2.min-1 HEMISFERIO SUR Latitud S 50º 48º 46º 44º 42º 40º 38º 36º 34º 32º 30º 28º 26º 24º 22º 20º 18º 16º 14º 12º 10º 8º 6º 4º 2º 0º

Ene 17,54 17,61 17,68 17,75 17,82 17,88 17,86 17,85 17,84 17,82 17,80 17,70 17,60 17,50 17,40 17,29 17,11 16,93 16,74 16,55 16,36 16,08 15,81 15,54 15,27 15,00

Feb 14,66 14,86 15,06 15,27 15,47 15,68 15,82 15,96 16,10 16,23 16,36 16,39 16,43 16,46 16,50 16,53 16,47 16,42 16,37 16,32 16,27 16,11 15,96 15,81 16,66 15,51

Mar 10,85 11,19 11,53 11,87 12,21 12,54 12,84 13,15 13,45 13,76 14,07 14,25 14,44 14,62 14,80 15,00 15,10 15,20 15,31 15,41 15,51 15,54 15,58 15,62 15,65 15,68

Abr 7,03 7,47 7,91 8,35 8,80 9,24 9,64 10,05 10,46 10,87 11,27 11,31 11,95 12,29 12,63 12,97 13,22 13,48 13,73 13,98 14,24 14,44 14,65 14,85 15,05 15,26

May 4,24 4,73 5,22 5,71 6,12 6,61 7,07 7,53 7,99 8,45 8,90 9,32 9,74 10,16 10,59 11,02 11,37 11,73 12,09 12,45 12,80 13,12 13,44 13,76 14,08 14,41

13

Jun 3,05 3,51 3,97 4,43 4,89 5,34 5,83 6,32 6,81 7,30 7,80 8,24 8,68 9,12 9,56 10,00 10,40 10,80 11,21 11,62 12,03 12,40 12,77 13,15 13,51 13,90

Jul 3,47 3,95 4,43 4,90 5,38 5,85 6,31 6,77 7,23 7,68 8,14 8,60 9,06 9,52 9,97 10,42 10,81 11,20 11,59 11,98 12,37 12,71 13,05 13,39 13,73 14,07

Ago 5,51 5,99 6,47 6,94 7,42 7,88 8,32 8,76 9,20 9,64 10,09 10,47 10,85 11,22 11,59 11,95 12,26 12,56 12,87 13,17 13,48 13,73 13,99 14,25 14,50 14,75

Sep 8,90 9,32 9,74 10,16 10,59 11,02 11,36 11,70 12,04 12,37 12,71 12,95 13,19 13,43 13,66 13,90 14,09 14,28 14,47 14,65 14,83 14,93 15,03 15,13 15,24 15,34

Oct 12,88 13,25 13,43 13,70 13,97 14,24 14,44 14,64 14,85 15,05 15,26 15,36 15,46 15,56 15,66 15,76 15,78 15,79 15,81 15,83 15,85 15,76 15,67 15,59 15,50 15,42

Nov 16,53 16,60 16,67 16,73 16,80 16,87 16,95 17,04 17,12 17,21 17,29 17,22 17,15 17,08 17,51 16,95 16,80 16,65 16,50 16,35 16,19 15,97 15,75 15,53 15,31 15,09

Dic 18,2 18,2 18,2 18,2 18,2 18,3 18,2 18,2 18,1 18,1 18,0 17,9 17,7 17,6 17,5 17,3 17,1 16,8 16,6 16,4 16,2 15,9 15,7 15,4 15,1 14,8

14