la energÍa solar aplicada en sistemas fotovoltaicos
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LA ENERGÍA SOLAR APLICADA LA ENERGÍA SOLAR APLICADA EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOSEN 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, Irradiación, HH:: 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
Distancia Tierra -Sol: 150 millones de kilómetrosDiámetro del Sol :1.39 millones de kilómetros Diámetro de la Tierra: 12.7 mil kilómetrosApertura angular del Sol: ~ 0.5309 grados
RelacionesRelaciones Geométricas Tierra-Sol Geométricas Tierra-Sol
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
La constante solar
Espectro de la radiación solarEspectro 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.
Distribución del espectro de la radiaciónradiación solar
Ejemplo 1Si 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.
Ejemplos sobre la radiación solarEjemplos sobre la radiación solar
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.
0
100
200
300
400
500
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07:0
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hora
Irra
dia
nci
a [W
/m2 ]
hora G [W/m2]
07:00 50 08:00 210 09:00 400 10:00 530 11:00 650 12:00 725 13:00 715 14:00 612 15:00 518 16:00 390 17:00 198 18:00 35
Factores que atenúan la intensidad de la radiación solar en la superficie terrestre
ATMOSFÉRICOS GEOGRÁFICOS
Nubes
Partículas suspendidas
Contaminación
Rotación diaria
Traslación
Latitud y longitud
Atenuación de la Irradiancia en la Atenuación de la Irradiancia en la superficie terrestre superficie terrestre
b
HdDispersión por gases y aerosoles
HSolDispersión por
las nubes
Colector solar
Reflejada
Albedo
H
Hd
Superficie reflejante
G
G dDispersión por gases y aerosoles
G SolDispersión por
las nubes
Colector solar
Reflejada
Albedo
G d
H d
Superficie reflejante
Radiación Solar sobre un captadorRadiación Solar sobre un captadorComponentes de la Irradiancia: Directa, Dispersada y Reflejada
RadiaciRadiacióón globaln globalUn captador solar puede recibir la Irradiancia solar de dos formas:
DIRECTADIRECTA: es la que recibe el captador cuando su superficie es perpendicular a los rayos solares.
DIFUSADIFUSA: 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
.
Gd
GbGd
Gb
Dispositivo de sombreado
GG= Gb cos z + Gd GG= Gd
z
Radiación Global Radiación Difusa
Radiación sobre un captadorRadiación sobre un captador
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
Valor normalizado para cálculos: 1,000 W/m2
VALOR PICO DE LA IRRADIANCIA
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
En un día nublado, la Irradiancia típica es de 100 W/m2.
Magnitud típica para la IrradianciaMagnitud típica para la Irradiancia
Recurso SolarRecurso SolarEvaluación mediante mediciones terrestres y Evaluación mediante mediciones terrestres y
espaciales espaciales y y
Estimación mediante simulaciones usando Estimación mediante simulaciones usando modelos empíricos, estadísticos y teóricosmodelos empíricos, estadísticos y teóricos
Estación solar y eólica en el CIE-Estación solar y eólica en el CIE-UNAMUNAM
Equipo para medir la radiación Equipo para medir la radiación solarsolarPiranómetro: 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
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 solarEquipo 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.
Equipo para medir la radiación solarEquipo para medir la radiación solar
Li-Cor, mod. LI 200 X
Respuesta espectral de aparatos de Respuesta espectral de aparatos de medidamedida
6 8 10 12 14 16 18-100
0
100
200
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900
1000
1100VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN
Global Directa Difusa
IRR
AD
IAN
CIA
(W
/m2 )
HORA DEL DÍA
Irradiancia recibida en un captador Irradiancia recibida en un captador horizontalhorizontal
Registros de radiación solar Cd. Universitaria, 4, 5 y 6 de enero de 2001
0
200
400
600
800
1000
1200
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
Minutos
Irra
dia
nci
a, W
/m2
Global Directa Normal Difusa
Curvas típicas de irradianciaCurvas típicas de irradiancia
Recurso solar de 8 horas pico
El concepto de horas-pico como una El concepto de horas-pico como una manera de trabajar la energía solarmanera de trabajar la energía solar
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000IR
RA
DIA
NC
IA
(
W/m2 )
HORA DEL DÍA
Área bajo la curvaA= 8,000 W-h/m2
Rectángulo de base 8 hrs, altura 1,000 W/m2
1,000 W/m2
Ejemplo de Mapa del Recurso Solar (1990)Ejemplo de Mapa del Recurso Solar (1990)
Radiación solarDirecta (kWh/m2/día)
Recurso solar promedio diario anualRecurso solar promedio diario anual
Valores promedio diario anualCaptador HorizontalHoras solares pico
Mapa del Recurso Solar Mapa del Recurso Solar Irradiación Global Irradiación Global
La inclinación del eje terrestre causante de las estaciones del año
Factores geográficosFactores geográficosMovimiento de la Tierra alrededor del Sol
Trayectoria solar anual Trayectoria solar anual
Latitud 25ºA: 21 de JunioB: 21 Julio-MayoC: 21 Ago-AbrilD: 21 Sept-MarzoE: 21 Oct- FebreroF: 21 Nov-EneroG: 21 Diciembre
63º
50º
83º
112º
En negro se muestra para una Latitud de 40º.En rojo, para una Latitud de 16º.
Trayectoria solar aparenteTrayectoria solar aparente
Análisis de trayectoria evitar sombras!Análisis de trayectoria evitar sombras!
Inclinación del captadorInclinación del captador
Máxima captación: Rayos perpendiculares al captador.
Captador fijo implica criterio de selección para ángulo de inclinacion que garantice máxima generacion.
Regla de mano: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
Se pueden tener:
captadores fijos y móviles
Seguidores solares polaresSeguidores solares polares
Seguidores con un movimiento: 30% más de captación
Orientación del captadorOrientación del captadorEn 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.
Norte
Inclinación
Orientación:Cara viendo hacia el Sur
Orientación norte-surOrientación norte-surRecomendaciones:
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
Brújula
NORTE magnético
NORTE verdadero
DECLINACIÓN
S
Nm
90º E270º O
180º S
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.
167º S verdadero
Mapa Isogónico Mapa Isogónico 12º E 10º E11º E 8º E 6º E 4º E7º E9º E
12º E
10º E
11º E
8º E 6º E7º E9º E 5º E 4º E
5º E
Declinación Magnética
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130.0
0.5
1.0
1.5
Irradiación recibida por un captador
L-15
L+15
L
INS
OL
AC
IÓN
RE
LA
TIV
A
MES DEL AÑO
Energía recibida en un captador con Energía recibida en un captador con diferente inclinacióndiferente inclinación
ConclusionesConclusionesEl 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
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.
ConclusionesConclusiones
