La ciencia de la inclinación de los captadores solares

La ciencia detrás de la inclinación del captador

Es usual ver en la red artículos, foros o blogs hablando sobre cuál es la inclinación más adecuada para nuestros paneles solares. Con más adecuada nos referimos a la disposición que nos garantice una eficiencia energética optima durante todo el año. Parece ser que hay muchas recomendaciones, sin embargo todas coinciden en algo, los paneles solares hay que orientarlos hacia el sur si estamos en el hemisferio norte, y hay que darles una inclinación que siempre tiene algo que ver con la latitud geográfica del lugar donde vayan a ser instaladas. Respecto a esto último, algunos recomiendan dejarlas con una inclinación igual a la latitud geográfica, otros recomiendan utilizar esta inclinación sumando 10°, y otros recomiendan variar la inclinación en función de si estamos en invierno o en verano.

Si todo esto es nuevo para ti, te recomiendo que te leas como introducción este otro artículo en el que doy algunos consejos para la instalación de captadores solares.  Si por el contrario, al igual que yo, te has preguntado de donde salen todas estás recomendaciones, estás leyendo el artículo adecuado. En este artículo explicaremos la física detrás de este problema.

La estrella de este artículo es el sol.

Efectivamente, si queremos arrojar algo de luz a este asunto, no podemos hablar de otra cosa que del Sol, el cual es nuestra fuente de energía. Por lo que no es de extrañar, que la inclinación y orientaciones óptimas de los captadores vengan dadas para maximizar el tiempo en el que el sol está en el campo visual de nuestro panel. ¡Así qué, hablemos de astronomía!

Vamos a partir de dos conceptos que son claves para explicarlo. El primero, la tierra gira al rededor del sol con un movimiento conocido como traslación, y el segundo, la tierra gira sobre si misma de forma que su eje de rotación presenta una inclinación respecto al plano de traslación. Este plano de traslación que forma La Tierra con el Sol se llama eclíptica, y el ángulo de inclinación del eje de la tierra es de 23.5°. Estos conceptos quedan perfectamente ilustrados en la siguiente imagen:

La inclinación lo complica todo

Esta inclinación del eje de la Tierra es la causa de los cambios en el recorrido que sigue el sol a lo largo del día de una estación a otra. Es por esto que las sombras son más cortas al medio día en verano que en invierno. ¿Por qué? Pues porque como el eje de la tierra está inclinado respecto a su traslación al rededor del sol, y esta orientación se mantiene prácticamente constante durante todo el recorrido, el hemisferio norte y el hemisferio sur son iluminados desigualmente por el Sol según la estación del año.  Debido a que, como puede verse en la imagen, en el hemisferio norte  tenemos una incidencia solar directa en verano, a diferencia de en invierno cuando es directa para el hemisferio sur.

Por esto las estaciones están cambiadas de un hemisferio a otro. ¿Y que tiene que ver todo esto con la inclinación de los captadores solares? Pues es simple, si queremos maximizar la eficiencia, nuestros paneles solares deben estar orientados de forma que capten el máximo recorrido aparente del Sol durante el día.

El recorrido del Sol

El recorrido aparente que sigue el sol durante el día, es diferente en función del momento del año en el que nos encontremos. Lo que si que podemos asegurar es que va a salir por el este y va a ponerse por el oeste, pero no lo hará por la línea que une ambos puntos cardinales, seguirá una curva que se desvía hacia el sur en el hemisferio norte ¿Por qué?. Es muy sencillo, supongamos que  no existe la desviación del eje de la tierra, entonces el plano de la eclíptica  coincidiría con el ecuador, y en todos los lugares en la zona ecuatorial el sol pasaría justo en la línea que une el este con el oeste. Por tanto, en los lugares por encima del ecuador, el recorrido del sol se desviaría hacia el sur por el simple hecho de que el Sol pasaría por el ecuador y el ecuador queda al sur de cualquier lugar del hemisferio norte.

Si consideramos ahora la desviación del eje, incluso en el ecuador el sol se «desviará» en función del momento del año de 23.5° hacia el sur hasta 23.5° hacia el norte. Por tanto, la conclusión sería que, en cualquier lugar con latitud superior a 23.5° N tenemos que orientar nuestro captador solar hacia el sur, porque el recorrido del sol quedará hacia esa dirección durante todo el año. Para lugares con latitudes inferiores, dependería del momento del año.

Una vez tenemos esto claro, vamos a ver como calcular la altura máxima respecto al horizonte que tomará el sol en su recorrido (cenit): La altura respecto al ecuador celeste de cualquier astro se conoce en astronomía como declinación, para el caso del sol la declinación varía de -23.5° a 23.5° a lo largo del año. Para calcular la altura en el horizonte del punto más alto del recorrido, el cual se da al rededor del medio día, para la latitud en la que nos encontremos, podemos emplear una sencilla ecuación:

α = 90 – ϕ + δ

Donde α es la elevación que alcanzará el sol en su cenit, ϕ es la latitud del lugar en el que nos encontremos y δ es la declinación del sol. Estando en el hemisferio norte, esta declinación será positiva en verano y negativa en invierno. Esto nos dará la altitud que alcanzará el sol respecto al horizonte mirando al sur. Sabiendo esto, podemos calcular a que inclinación debemos colocar nuestros captadores, ya que, los paneles solares tendrán una máxima eficiencia cuando los rayos solares incidan perpendicularmente al captador. Teniendo esto en cuenta, podemos hacer una transformación trigonométrica para obtener la inclinación óptima del captador solar en función de la declinación δ y la latitud ϕ:

Inclinación optima = ϕ – δ

¿Como elegir entonces la inclinación?

Todo dependerá de nuestras necesidades. Tendremos que apostar por la sencillez. Lo mas sencillo es dejar el captador solar fijo durante todo el año, entonces tendremos que usar la declinación solar media a lo largo del año que es δ=0, por lo que si dejamos el captador fijo nuestra ecuación nos dará que la inclinación óptima coincide con la latitud, Por eso es la recomendación más usual.

Si esto no nos da buenos resultados, a veces no es suficiente para asegurar el abastecimiento en invierno, podemos hacer dos cosas. La primera y más sencilla, dejar el captador fijo durante todo el año a la inclinación óptima para el invierno, la declinación media del 22 de septiembre al 21 de marzo (los meses más fríos y justo entre los dos equinoccios) es de unos -15°. Luego por ejemplo la inclinación optima para estos meses de invierno en Canarias (latitud ~30°), desde donde estoy escribiendo este blog, sería según nuestra ecuación de 45°. Esta disposición valdría si nos sobra el suministro solar en verano, ya que dejando los captadores con esta inclinación, estaríamos perdiendo eficiencia en verano, lo cual no es un problema si tenemos mucho sol durante este periodo, incluso podría ayudarnos a evitar posibles sobrecalentamientos de la instalación.

Si en nuestra zona escasea el sol tanto en verano como en invierno, lo mejor sería variar la inclinación de los captadores dos veces al año. De septiembre a marzo podríamos usar una declinación media de -15° y de marzo a septiembre de 15°. Lo que ocurre, es que de nuevo estas declinaciones medias quizás no sean las más adecuadas para los meses cerca del equinoccio (cuando la declinación tiende a cero), por eso la recomendación usual es utilizar ±10°, para así tener una buena eficiencia en estos meses.

Aunque estos son buenos consejos orientativos, lo mejor es emplearlos para experimentar y encontrar lo que mejor se adapte a tu zona, o directamente consultar con un profesional del sector que te dará las mejores indicaciones para tu caso particular.

Agradecimientos: Imágenes gracias a Timeanddate.com y www.greenergystar.com