UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
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1 UNIVERSIDAD DE COSTA RICA FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA IE-1117 TEMAS ESPECIALES II EN MÁQUINAS ELÉCTRICAS ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAÍCA GRUPO 01 TAREA #1 PROFESOR: Ing. José Antonio Conejo Badilla. REALIZADO POR: Mauricio Vargas Montero. B16922 FECHA DE ENTREGA: 15 de mayo de I SEMESTRE 2015
2 A continuación se resuelven cada uno de los puntos del enunciado. 1. Usando el sitio de Google Earth o cualquier otro similar, determinar la ubicación cartográfica de latitud norte y longitud oeste, de los siguientes lugares: E)- Centro Agronómico Tropical CATIE, Turrialba Con ayuda del software Google Earth versión se estima la ubicación del CATIE en Turrialba, tomando como referencia la entrada del edificio principal de la institución. En la figura 1 se muestra dicha ubicación junto a los datos de latitud y longitud dados por el programa. Figura 1. Ubicación del CATIE junto a los datos de latitud y longitud. Los datos obtenidos se resumen a continuación, dando como resultado los valores del programa en grados, minutos y segundos así como su equivalente en grados decimales. Latitud norte = 9 53'25.35" = 9,8904 Longitud oeste = 83 39'2.76" = 83,6508 Página 2 de 6
3 2. Suponiendo que se desea instalar unos paneles fotovoltaicos en el sitio designado (CATIE Turrialba), cuál sería la orientación y el ángulo de inclinación con respecto a la horizontal que debería tener dichos paneles para recibir la radiación solar en forma perpendicular? Se toma como base los equinoccios que ocurren durante el año, siendo para el hemisferio norte el 21 de marzo (equinoccio de primavera) y el 21 de setiembre (equinoccio de otoño). Durante estas épocas el sol se posa directamente sobre el ecuador y su radiación impacta en forma perpendicular sobre la Tierra, ya que la declinación solar es de cero. Por lo tanto los paneles solares se deben orientar en función de la declinación dada por la curvatura de la Tierra, la cual se mide con ayuda de la latitud. Para el hemisferio norte, la inclinación de los paneles solares debe ser con su cara viendo hacia el sur siguiendo el ángulo medido de la latitud norte del sitio. En el hemisferio sur, la inclinación de los paneles solares debe ser con su cara viendo hacia el norte siguiendo el ángulo medido de la latitud sur del sitio de interés. En el CATIE en Turrialba, los paneles solares se deben instalar con un ángulo de inclinación de 9,89 (calculado en el punto 1), con su cara viendo hacia el sur, ya que Costa Rica se ubica en el hemisferio norte. 3. Con base en el documento PV Module Angles de Richard Perez and Sam Coleman, determinar el ángulo de inclinación que deberían tener dichos paneles para las cuatro épocas del año recomendadas por los autores. Los autores de este artículo proponen un ajuste más optimizado que el método clásico expuesto en el punto 2. Además de las inclinaciones dadas por los equinoccios se toma en cuenta el efecto del solsticio de verano (aproximadamente 22 de junio en el hemisferio norte) y el solsticio de invierno (aproximadamente 22 de diciembre en el hemisferio norte). Durante el solsticio de verano la duración del día es la máxima durante el año mientras que en el de invierno es la mínima. Este método se basa mejorar las inclinaciones de los paneles para buscar siempre el aprovechamiento máximo de la radiación perpendicular sobre la superficie. Según Coleman y Pérez (1993), se inicia con la suposición de que el panel recibirá la radiación solar de forma perpendicular al medio día. Por ello se debe corregir el valor de la latitud con la declinación solar, la cual mide el movimiento relativo de la tierra respecto al sol en cualquier día del año y es causado por el efecto de la inclinación de la Tierra durante el año, que varía entre 23,45 y -23,45. Las formulas propuestas son: A = L D (1) Página 3 de 6
4 Dónde: A = L 23,5 sen ( (360 )T 365,25 ) (2) A = ángulo entre el panel y el plano horizontal ( ) L = latitud del sitio ( ) D = declinación del sol según la época del año ( ) T = número de días medido desde el día de interés, tomando como referencia el equinoccio de primavera (21 de marzo). Además el documento presenta una familia de curvas basadas en la graficación de distintos valores de latitud norte con ayuda de la ecuación (2), las cuales se muestran en la figura 2. Figura 2. Ángulos de los paneles solares para diferentes épocas del año. Página 4 de 6
5 Por lo tanto es posible usar tanto la figura 2 para un resultado aproximado y la ecuación (2) para un resultado más exacto. Con el dato de la latitud norte del CATIE (se redondea a 10 para buscar en las curvas), para las 4 épocas del año recomendadas, al buscar en la figura 2 se obtiene lo mostrado en la tabla 1. Época del año Fecha Ángulo de inclinación ( ) Equinoccio de primavera 21 de marzo 10 Solsticio de verano 22 de junio -13 Equinoccio de otoño 21 de setiembre 10 Solsticio de invierno 22 de diciembre 33 Tabla 1. Ajuste de los paneles solares para el CATIE usando la figura 2. Ahora, al sustituir el valor de latitud de 9,8904 en la ecuación (2) y usando el respectivo valor de T se obtienen los resultados mostrados en la tabla 2. Época del año Fecha T (días) Ángulo de inclinación ( ) Equinoccio de primavera 21 de marzo 0 9,8904 Solsticio de verano 22 de junio 93-13,5997 Equinoccio de otoño 21 de setiembre ,4462 Solsticio de invierno 22 de diciembre ,3756 Tabla 2. Ajuste de los paneles solares para el CATIE usando la ecuación (2). Se nota como los datos de las tablas 1 y 2 difieren en un muy poca medida por lo que, en términos prácticos, resulta válido usar ambos métodos. 4. Explicar cuáles serían los beneficios de colocar los paneles en una instalación que permita ajustar el ángulo de inclinación, con relación a una posición fija. La ventaja de implementar este sistema de cambio de posición radica en que se optimiza el desempeño de los paneles solares, dado que se busca una inclinación Página 5 de 6
6 tal que los rayos solares impactan de forma perpendicular sobre la superficie durante más tiempo. Tal y como la introdujo Coleman y Pérez (1993), existen cuatro épocas críticas en el año donde se puede ajustar el ángulo de inclinación con el fin de lograr una mayor incidencia de los radiación directa perpendicular sobre los paneles, por lo que es recomendable hacer estos pequeños ajustes con el fin de mejorar la eficiencia en un 10% con cambios manuales y hasta un 35% con un seguidor automático especial de la posición del sol. Es importante recalcar que el seguidor automático debe ser especialmente diseñado para paneles solares y se debe estudiar muy detalladamente su consumo energético, ya que puede darse un efecto inverso y poner en deterioro la eficiencia del sistema, porque cabe la posibilidad de que el consumo energético del control automático sea mayor a la mejora en la generación lograda. Bibliografía Coleman, S. y Pérez, R. (1993). PV Module Angles. Revista Home Power #36, Agosto- Setiembre de Disponible en: power_systems/solar/pvangles.pdf Página 6 de 6
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