GENERACIÓN ELÉCTRICA MEDIANTE ENERGÍAS RENOVABLES TEMA 3. ENERGÍA SOLAR Curso 2007-2008 Pablo Díaz Dpto. Teoría de la Señal y Comunicaciones Área de Ingeniería Eléctrica Escuela Politécnica - Universidad de Alcalá Despacho S 331 pablo.diaz@uah.es
TEMA 3. ENERGÍA SOLAR 3.0 INTRODUCCIÓN. RADIACIÓN SOLAR 3.1 ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA 3.2 ENERGÍA SOLAR TÉRMICA Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 2
Recurso energético: Radiación solar incidente Panel solar fotovoltaico Electricidad Instalación - Red Eléctrica - Consumo eléctrico propio Calor Instalación Consumo térmico propio (ACS, calefacción, climatización, etc) Panel solar térmico (baja temperatura) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 3
Recurso energético: Radiación solar incidente Panel solar fotovoltaico Electricidad Instalación - Red Eléctrica - Consumo eléctrico propio Calor Instalación Consumo térmico propio (ACS, calefacción, climatización, etc) Panel solar térmico (baja temperatura) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 4
RECURSO ENERGÉTICO: RADIACIÓN SOLAR Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 5
Recurso energético: Radiación Solar Características como fuente energética: Es un recurso renovable (inagotable) Libre disposición Amplia distribución en el mundo Variable (día-noche, día del año, condiciones ambientales) Elevada dispersión ( pocos W/m 2 ) Incertidumbre en el comportamiento futuro se trabaja con estimaciones ESTUDIO DE LA RADIACIÓN SOLAR Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 6
ESTUDIO DE LA RADIACIÓN SOLAR: FACTORES ASTRONÓMICOS y GEOGRÁFICOS (Posición del Sol) FACTORES ATMOSFÉRICOS Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 7
FACTORES ASTRONÓMICOS y GEOGRÁFICOS (Posición del Sol) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 8
Movimiento Sol-Tierra Distancia media Sol-Tierra (U.A): r o = 149,6 millones de km Variación distancia Sol-Tierra: dn 93 r ro 1 0,017sen(360. ) 365 Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 9
Movimiento Sol-Tierra Declinación solar Ángulo formado por el plano ecuatorial con la recta Sol-Tierra (centros) 284 23,45 o sen(360. d n ) 365 Suponemos constante en 1 día Declinación δ Amanecer Atardecer Duración día/noche (H. norte) Equinoccio Primavera (20/21 Marzo) Solsticio Verano (21/22 Junio) Equinoccio Otoño (22/23 de Septiembre) Solsticio Invierno (21/22 de Diciembre) 0º Este Oeste 23,45º Este-Noreste Oeste-Noroeste 0º Este Oeste -23,45º Este-Sureste Oeste-Suroeste Iguales Máxima/mínima Iguales Mínima/Máxima Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 10
Posición del Sol respecto a un punto de la tierra Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 11
Trayectoria del Sol en un día Depende del lugar geográfico (latitud) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 12
Diagrama de trayectorias del Sol. Madrid Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 13
Determinación de la posición del Sol en la esfera celeste Elevación solar, γ s : sen sen. sen cos.cos.cos s Acimut, ψ s (Ángulo respecto al Sur): cos s sen s. sen sen cos.cos s Día del año declinación, δ Hora del día Hora solar (ω; ω =0 mediodía) Hora y dirección de salida del sol cada día: s s o 0 ( amanecer ) arccos( tg. tg ) 0 o ( amanecer ) s s arccos( sen ) cos Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 14
FACTORES ATMOSFÉRICOS Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 15
Características de la Radiación Solar. Distribución espectral (I) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 16
Naturaleza de la Radiación Solar: interacción de la luz con la atmósfera Absorción Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 17
Incidencia de la Radiación Solar Constante Solar B=1367W/m 2 Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 18
Recurso energético: radiación solar CONOCIMIENTO EXACTO DE LA POSICIÓN DEL SOL INCERTIDUMBRE DEBIDA A LOS EFECTOS ATMOSFÉRICOS UTILIZACIÓN DE BASES DE DATOS DE RADIACIÓN SOLAR INCIDENTE ESTIMACIÓN DEL RECURSO ENERGÉTICO (diseño y análisis de instalaciones) Tipos de bases de datos obtenidos a partir de medidas realizadas: 1 dato medio anual de radiación diaria incidente sobre superficie horizontal (kw.h/m 2.día) 12 datos medios mensuales de radiación diaria incidente sobre superficie horizontal (kw.h/m 2.día) 365 datos medios diarios de radiación incidente sobre superficie horizontal (kw.h/m 2.día) IMPORTANTE: LOS VALORES SOBRE SUPERFICIE HORIZONTAL DEBEN SER TRANSFORMADOS A VALORES SOBRE SUPERFICIE INCLINADA (SEGÚN ORIENTACIÓN E INCLINACIÓN DE LOS PANELES SOLARES (TÉRMICOS O FOTOVOLTAICOS) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 19
Recurso energético: Radiación Solar Tipo de datos: Media anual de radiación diaria sobre superficie horizontal (España) Amplias bases de datos por localidades Madrid: 4,5kWh/m 2 dia Fuente: INM, generado a partir de isolíneas de radiación solar global anual sobre superficie horizontal Aplicación Estudio previo de viabilidad y diseño en instalaciones fotovoltaicas conectadas a la red eléctrica Limitaciones No permiten conocer la variabilidad mensual (básico para el diseño de instalaciones autónomas), ni diaria Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 20
Recurso energético: Radiación Solar Tipo de datos: Medias mensuales de radiación diaria sobre superficie horizontal (Madrid) Amplias bases de datos por localidades Aplicación Herramienta de diseño y dimensionado de instalaciones solares Limitaciones No permiten conocer la variabilidad diaria Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 21
kwh/m 2 dia Recurso energético: Radiación Solar. Datos por localidades de España Radiación incidente sobre superficie horizontal 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic La Coruña 1,44 2,06 3,58 4,10 4,90 5,63 5,34 4,97 3,78 2,62 1,68 1,13 Madrid 2,02 2,96 4,53 5,41 6,37 7,38 7,63 6,57 4,96 3,09 2,14 1,69 Almería 2,50 3,23 4,47 5,28 6,45 6,97 6,90 6,05 4,91 3,78 2,53 2,19 Tenerife 4,10 4,86 5,90 6,79 7,30 7,42 7,23 7,07 6,44 5,39 4,25 3,77 Anual 3,44 4,57 4,61 5,88 Fuente: PV GIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 22
Recurso energético: Radiación Solar. Origen de datos Bases de Datos: Censolar H-World (valores medios mensuales de muchas localidades del mundo) NASA (fotografías satélite, http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/ ) Comisión Europea - PV GIS (http://sunbird.jrc.it/pvgis/ Interactive Maps :Europe) R. Global: Piranómetro R. Difusa: Piranómetro con disco R. Directa: Pirheliómetro R. Global: Piranómetro Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 23
Recurso energético: Radiación Solar Radiación sobre superficie horizontal, G dm (0) (kw.h/m 2 dia) Radiación sobre superficie inclinada real, G dm (β) (kw.h/m 2 dia) Inclinación óptima diaria (factores astronómicos): β= Φ + δ (variable día a día) buscar inclinación única (mes peor) Pero en invierno hay bastante rad. difusa β opt = Φ 10 o β: Inclinación Φ: Latitud δ: Declinación Madrid Φ=40 o Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 24
Método de estimación de radiación sobre superficie inclinada fija Datos: G dm (β=0) Indice de claridad: relación radiación glocal/radiación extraterresrte D dm (β=0) Estimación de: G hm (0) B hm (0) D hm (0) Obtención de: G hm (α,β)= B hm (α, β) + D hm (α, β) + R hm (α, β) Estimación de: B hm (α, β) D hm (α, β) R hm (α, β) G dm (α,β): Radiación global Obtención de: Gdm (, ) Ghm(, ) dt Utilizar: -Web PVGIS - Universidad de Jaén (Curso Solar) - Aplicaciones software B (α, β): Radiación directa D(α, β): Radiación difusa R(α, β): Radaición reflejada α: orientación (grados respecto al Sur) β: inclinación (grados respecto a la horizontal) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 25
kwh/m 2 dia Madrid: Datos de radiación incidente sobre superficie inclinada fija (orientación Sur) Radiación incidente sobre superficies inclinadas 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic 0 2,02 2,96 4,53 5,41 6,37 7,38 7,63 6,56 4,96 3,09 2,14 1,69 25 2,94 3,94 5,4 5,66 6,15 6,86 7,21 6,67 5,61 3,88 3,02 2,5 60 3,43 4,24 5,15 4,59 4,44 4,64 4,96 5,14 5,02 3,97 3,43 2,95 Fuente: PV GIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/ Media anual Mínimo anual Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 26
Influencia de la posición del receptor: orientación e inclinación fijos LIMITES ADMISIBLES CÓDIGO Fuente: Instituto de Energía Solar (Estefanía Caamaño) TÉCNICO DE LA EDIFICACIÓN Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 27
Radiación diaria (kwh/m 2 dia) Radiación incidente en superficies con seguimiento solar total (2 ejes, Madrid) 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Año Horizontal 1,73 2,63 4,15 5,45 6,17 6,69 7,22 6,49 4,8 3,16 1,99 1,77 4,35 Fijo 30o, Sur 2,58 3,54 4,98 5,80 6,00 6,27 6,87 6,68 5,51 4,07 2,92 2,91 4,84 Seguimiento 2 ejes 3,33 4,40 6,39 7,80 8,09 8,60 9,70 9,34 7,07 4,97 3,76 3,99 6,45 Mes Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 28
Mapa de sombreado Mapa de sombreado: Teodolito/cámara fotográfica + plano de trayectorias del sol Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 29
Estimación radiación perdida por sombreado Fuente: Código Técnico de la Edificación (CTE, 2006) Factor de sombras: suma de las contribuciones de las casillas tapadas (% respecto de la irradiación global anual) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 30
Fuente: Código Técnico de la Edificación (CTE, 2006) Generación Eléctrica mediante Energías Renovables 31