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
Los
procesos
de
absorción, reflexión y
dispersión de la luz
solar al atravesar la
atmósfera, atenúan la
intensidad
de
la
radiación solar.
UV
VIS
IR
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 %
infrarrojo cercano
36.8 %
1.5 µ - 5.6 µ
infrarrojo medio
12.1 %
5.6 µ - 1 mm
infrarrojo lejano
< 0.3 %
720 nm - 1.5 µ
> 1mm
micro y ondas de radio
Ejemplos sobre la radiación solar
Ejemplo 1
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.
hora
700
600
500
400
300
200
100
hora
18:00
17:00
16:00
15:00
14:00
13:00
12:00
11:00
10:00
09:00
08:00
0
07:00
Irradiancia [W/m 2]
800
07:00
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
18:00
G
[W/m2]
50
210
400
530
650
725
715
612
518
390
198
35
Atenuación de la Irradiancia en la superficie
terrestre
Factores que atenúan la intensidad de la radiación
solar en la superficie terrestre
ATMOSFÉRICOS
GEOGRÁFICOS
Nubes
Rotación diaria
Partículas suspendidas
Traslación
Contaminación
Latitud y longitud
Radiación Solar sobre un captador
Componentes de la Irradiancia:
Directa, Dispersada y Reflejada
H Sol
G
Dispersión
por
las nubes
Hd
Hd
G
Dispersión por
gases y aerosoles
Gb
Hd
G
Reflejada
Albedo
Colector solar
Superficie
reflejante
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
Radiación Global
Radiación Difusa
Gb
Gd
qz
Gd
Gb
Dispositivo
de sombreado
GG = Gb cos qz + Gd
G G= G d
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.
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
V E R AN O , D ÍA D E S P E J AD O , L ATITU D 1 5 ºN
1100
G lobal
1000
D irecta
500
2
(W /m )
800
IRRADIANCIA
900
D ifusa
700
600
400
300
200
100
0
-100
6
8
10
12
14
H O R A D E L D ÍA
16
18
Curvas típicas de irradiancia
Registros de radiación solar
Cd. Universitaria, 4, 5 y 6 de enero de 2001
1200
Irradiancia, W/m2
1000
800
600
400
200
0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Minutos
Global
Directa Norm al
Difusa
3500
4000
4500
El concepto de horas-pico como una manera
de trabajar la energía solar
1,000 W/m2
1000
800
2
(W /m )
900
700
Área bajo la curva
A= 8,000 W-h/m2
IR R A D IA N C IA
600
500
400
300
200
100
0
6
8
10
12
14
16
18
H O R A D E L D ÍA
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)
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.
50º
63º
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
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
Brújula
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.
Mapa Isogónico
12º E
11º E
10º E
9º E
8º E
7º E
6º E
5º E
4º E
12º E
11º E
10º E
9º E
8º E
Declinación
7º E
Magnética
6º E
5º E
4º E
Energía recibida en un captador con
diferente inclinación
Irradiación recibida por un captador
INSOLACIÓN RELATIVA
1.5
L+15
L
1.0
L-15
0.5
0.0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
MES DEL AÑO
9
10
11
12
13
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
37
[email protected]
www.cie.unam.mx
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