LA ENERGÍA SOLAR APLICADA EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS

Términos y unidades de medición Irradiancia, G : Valor instantáneo de la potencia luminosa recibida en un captador de un metro cuadrado de área Unidades: Watt/metro cuadrado Símbolo: W/m2 Irradiación, H: Valor acumulado de la irradiancia en un tiempo dado. Unidades: Si la unidad de medición para el tiempo es la “hora” (h), la irradiación se mide en Watt por hora entre metro cuadrado Símbolo: Wh/m2. 1,000 Wh/m2 = 3.6 MJ/m2

Relaciones Geométricas Tierra-Sol Distancia Tierra -Sol: 150 millones de kilómetros Diámetro del Sol :1.39 millones de kilómetros Diámetro de la Tierra: 12.7 mil kilómetros Apertura angular del Sol: ~ 0.5309 grados

La constante solar La radiación solar que se recibe fuera de la atmósfera terrestres se considera constante con un valor para la irradiancia de: G0 = 1,367 W/m2

Espectro de la radiación solar UV VIS IR Los procesos de absorción, reflexión y dispersión de la luz solar al atravesar la atmósfera, atenúan la intensidad de la radiación solar.

Contribución al Espectro Distribución del espectro de la radiación solar Long. de Onda Tipo de Radiación Contribución al Espectro < 1 nm Rayos X y rayos gama 1 nm - 200 nm Ultravioleta lejano < .02 % 200 nm - 315 nm Ultravioleta medio 2.0 % 315 nm - 380 nm Ultravioleta cercano 5.3 % 380 nm - 720 nm Visible 43.5 % 720 nm - 1.5 µ infrarrojo cercano 36.8 % 1.5 µ - 5.6 µ infrarrojo medio 12.1 % 5.6 µ - 1 mm infrarrojo lejano < 0.3 % > 1mm micro y ondas de radio

Ejemplos sobre la radiación solar Si se tiene un colector solar con un área de 2 m² cuadrados recibiendo los rayos del sol de forma perpendiclar, los cuales llegan con una irradiancia de 400 W/m², calcular la potencia recibida. Ejemplo 2 Si se recibe una irradiancia de 800 W/m2 durante una hora ¿Cuál es la irradiación correspondiente?

Ejemplo 3: En la figura se muestra un ejemplo de mediciones de irradiancia solar en intervalos de una hora para un día completo y en la tabla se presentan los valores. Calcular la inrradiación para ese día.

Atenuación de la Irradiancia en la superficie terrestre Factores que atenúan la intensidad de la radiación solar en la superficie terrestre ATMOSFÉRICOS GEOGRÁFICOS Rotación diaria Traslación Latitud y longitud Nubes Partículas suspendidas Contaminación

Radiación Solar sobre un captador Componentes de la Irradiancia: Directa, Dispersada y Reflejada b H d Dispersión por gases y aerosoles Sol Dispersión por las nubes Colector solar Reflejada Albedo Superficie reflejante G

Radiación global Un captador solar puede recibir la Irradiancia solar de dos formas: DIRECTA: es la que recibe el captador cuando su superficie es perpendicular a los rayos solares. DIFUSA: es la que el captador “ve” como si viniera de la bóveda celeste, y esta compuesta por la reflejada y la refractada . Radiación global = directa + difusa

Radiación sobre un captador G d b Dispositivo de sombreado = cos q z + GG= Gd Radiación Global Radiación Difusa

VALOR PICO DE LA IRRADIANCIA Magnitud típica para la Irradiancia En un día despejado la radiación directa es la máxima componente que recibe un captador. En un día nublado, la componente máxima corresponde a la difusa Condiciones de CERO ATENUACIÓN: Día muy claro, sin partículas en el aire, sin absorción molecular, y con los rayos solares en el zenit del captador: Nivel del mar: ~956 W/m2 Altitud de 5000 m snm: ~1,050 W/m2 Valor normalizado para cálculos: 1,000 W/m2 VALOR PICO DE LA IRRADIANCIA En un día nublado, la Irradiancia típica es de 100 W/m2.

Evaluación mediante mediciones terrestres y espaciales Recurso Solar Evaluación mediante mediciones terrestres y espaciales y Estimación mediante simulaciones usando modelos empíricos, estadísticos y teóricos Estación solar y eólica en el CIE-UNAM

Equipo para medir la radiación solar Piranómetro: Este equipo tiene la capacidad de medir la irradiancia global: directa + difusa. El sensor es una termopila que mide la irradiancia en 180º independientemente de la longitud de onda y del ángulo de incidencia. Irradiancia difusa

Equipo para medir la radiación solar Pirheliómetro: Equipo usado para medir la irradiancia directa. Usa un detector que colima la luz solar hacia él a través de un sistema de seguimiento.

Equipo para medir la radiación solar Celda Solar calibrada: Debido a que la corriente generada por una celda solar es lineal respecto a la Irradiancia, éstas representan una buena herramienta para medir la irradiancia global. Li-Cor, mod. LI 200 X

Respuesta espectral de aparatos de medida

Irradiancia recibida en un captador horizontal

Curvas típicas de irradiancia

El concepto de horas-pico como una manera de trabajar la energía solar Área bajo la curva A= 8,000 W-h/m2 1,000 W/m2 Rectángulo de base 8 hrs, altura 1,000 W/m2 Recurso solar de 8 horas pico

Ejemplo de Mapa del Recurso Solar (1990)

Recurso solar promedio diario anual Radiación solar Directa (kWh/m2/día)

Valores promedio diario anual Mapa del Recurso Solar Irradiación Global Valores promedio diario anual Captador Horizontal Horas solares pico

Factores geográficos Movimiento de la Tierra alrededor del Sol La inclinación del eje terrestre causante de las estaciones del año

Trayectoria solar anual Latitud 25º A: 21 de Junio B: 21 Julio-Mayo C: 21 Ago-Abril D: 21 Sept-Marzo E: 21 Oct- Febrero F: 21 Nov-Enero G: 21 Diciembre

Trayectoria solar aparente En negro se muestra para una Latitud de 40º. En rojo, para una Latitud de 16º. 63º 50º 83º 112º

Análisis de trayectoria evitar sombras!

Inclinación del captador Máxima captación: Rayos perpendiculares al captador. Se pueden tener: captadores fijos y móviles Captador fijo implica criterio de selección para ángulo de inclinacion que garantice máxima generacion. Regla de mano: Captación anual máxima, inclinación igual a la latitud del lugar. Seguidor con 2 movimientos: 60% más de captación Seguidor con 1 movimiento: 30% más de captación

Seguidores solares polares Seguidores con un movimiento: 30% más de captación

Orientación del captador En el hemisferio norte, el sol se declina hacia el sur, durante todo el año; Implicando captadores inclinados, respecto a la horizontal, viendo hacia el sur. Orientación: Cara viendo hacia el Sur Inclinación Norte

Orientación norte-sur Recomendaciones: La cara del CAPTADOR debe estar viendo hacia el SUR (NO MAGÉTICO) La Declinación Magnética es la desviación del Norte Verdadero y el Norte Magnético (detectado por una Brújula). La Declinación se expresa en Grados ESTE u OESTE desde el SUR MAGNÉTICO Nm NORTE magnético NORTE verdadero 270º O 90º E DECLINACIÓN 180º S 167º S verdadero Ejemplo: Declinación Magética 13º E. El Sur Verdadero está a 13º E del Sur magnético. Si el captador se orienta con una brújula, el Sur verdadero estará a 167º. Brújula S

Mapa Isogónico 12º E 10º E 11º E 8º E 6º E 4º E 7º E 9º E 5º E Declinación Magnética

Energía recibida en un captador con diferente inclinación Irradiación recibida por un captador 1.5 L+15 L 1.0 INSOLACIÓN RELATIVA L-15 0.5 0.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 MES DEL AÑO

Conclusiones El sol es una fuente inagotable de energía. La Irradiancia es una densidad de potencia y se mide en Watt/m2. La Irradiación es una densidad de energía y se mide en Wh/m2. El valor normalizado de la Irradiancia para fines prácticos es de 1,000 W/m2, y se le llama el Pico de Irradiancia. La Hora-Pico es una densidad de Energía. 1 H-P = 1,000 Wh/m2

Conclusiones Los Factores Atmosféricos atenúan la intensidad de la Radiación Solar Los fenómenos de Rotación y Traslación afectan el valor del Recurso Solar. México cuenta con un Recurso Solar grande, que depende de las localidades. Los captadores solares deben orientarse hacia el Sur Geográfico. La mayor captación anual se obtiene con una inclinación igual a la latitud de la localidad.

Gracias sgestec@cie.unam.mx www.cie.unam.mx 37 www.cie.unam.mx