Física 1011 (Tutor virtual): Condiciones diarias y anuales del Sol

Un amigo lector me solicitó que le explique cómo funciona el Sol, desde el punto de vista de un observador en la Tierra, para efectos de aprovechar la irradiación solar ya sea a nivel térmico o fotovoltaico.

Vínculo.

Trataré de hacerlo sin entrar en las consideraciones de la ingeniería o la electrónica, que no conozco. Simplemente destacaré algunos aspectos astronómicas. Si no le quedan claros, o tiene alguna consulta, por favor envíeme un comentario y lo conversamos.

En el kínder nos dicen que el Sol, sale por el Este y se oculta por el Oeste.

Sin embargo, esto es correcto únicamente para las fechas de los equinoccios, 21 de marzo y el 21 de septiembre y si no tenemos que ser completamente exactos, también unos dos o tres días antes o después.

Si queremos recibir los rayos del Sol en un día cualquiera, debemos tomar en cuenta que al amanecer (orto) el ángulo de inclinación (respecto a la vertical, la recta normal a la superficie, como se usa en óptica) es 90°.
Al medio día solar, cuando el sol cruza el meridiano del observador -culminación-, la inclinación es 0° -cenital-, en dirección de la recta de la plomada. Recuerde que esto no necesariamente ocurre a las 12:00 según la hora oficial de su país; depende de la latitud del lugar desde donde usted observa.
Finalmente a la puesta del sol (ocaso), la inclinación es de nuevo 90°.

Este ángulo cambia 15° por hora hacia el Oeste, el conocido movimiento diurno aparente del Sol, que es causado por la rotación de la Tierra de Oeste a Este.
Así que un colector solar horizontal, solo recibe una apropiada irradiación como entre las 9 a.m. y 3 p.m. Pero si se monta en un eje que apunta hacia el polo norte, y que rote lentamente acoplado a un motor de ascensión recta (una vuelta en 24 horas), podría mantenerse siempre orientado hacia el Sol, como lo hace un telescopio colocado en una montura ecuatorial.

El mediodía solar local ocurre cuando el sol cruza el meridiano del observador y entonces está lo más alto en el cielo (culmina), pero no necesariamente cenital (encima de la recta de la plomada). Esto solo ocurre en dos fechas al año, para sitios que están dentro de los trópicos, como en Costa Rica.
Fuera de la zona ecuatorial, el Sol nunca alcanza la posición cenital.

En Costa Rica, para unas coordenadas promedio (10°Norte, 84°Oeste), el Sol llega al cenit solo en los alrededores del 15 de abril y del 30 agosto, cuando la declinación del Sol adquiere un valor igual a la latitud del observador.

La declinación de un objeto en la esfera celeste es el ángulo entre el ecuador celeste y la posición del objeto a lo largo de un círculo de declinación (algo parecido a la latitud terrestre).
La declinación del sol varía entre -23,5° en el solsticio del Sur el 21 de diciembre, y + 23,5° en el solsticio del norte, que ocurre el 21 de junio.

Entonces al amanecer, de abril a agosto lo rayos solares en Costa Rica, provienen del noreste, y de agosto a abril del siguiente año proceden del sureste.

Si un colector solar se quiere mantener mejor orientado, debe tomar en cuenta el cambio en la declinación del Sol durante el año (además, desde luego, el cambio diurno con el motor de ascensión recta).
Debe entonces cambiar al menos cada dos o tres días la declinación ¡manualmente!, cambiando el ángulo de declinación (ver la tabla de declinaciones y fechas), -hacia el norte-hacia el sur- hacia el norte-, etc. Pero también puede hacerlo de manera automática, agregando un motor de declinación, como lo hace un telescopio solar con capacidad para mantener el sol en el campo de visión, para cualquier fecha (¡un año!, todos los años!)

Supongo que de esta manera el gasto energético y el uso intenso del equipo será un aspecto importante a tomar en cuenta. Para el uso astronómico esto es de poca importancia, porque los tiempos de observación son cortos.
Si un usuario quiere mantener los costos de operación bajos, puede variar la declinación manualmente, usando un simple mecanismo diseñado para variar y fijar el ángulo, cada dos o tres días. El otro motor también se podría evitar, si se escoge una inclinación optima promedio del colector.
En ambos casos el rendimiento y la eficiencia del sistema baja, pero quizás esto no sea tan importante como mantener costos mínimos.

Referencias adicionales: