Universidad Nacional Autónoma de México Centro de Investigación en Energía Curso de Especialización Sistemas Fotovoltaicos de Interconexión FIRCO Morelos, 16 a 20 de enero de 2012 Dimensionamiento y Diseño en Baja Potencia Enero 2012 LA ENERGÍA SOLAR APLICADA EN SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Aarón Sánchez Juárez
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/m 2 Irradiación, Es : 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/m 2. 1,000 Wh/m 2 = 3.6 MJ/m 2
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: G 0 = 1,367 W/m 2 4 www.cie.unam.mx
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.
Atenuación de la Irradiancia en la superficie terrestre 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
Radiación Solar sobre un captador Dispersión por las nubes Componentes de la Irradiancia: Directa, Dispersada y Reflejada H G Sol H G d G b H d Dispersión por gases y aerosoles Colector solar H G d Reflejada Albedo 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 G d G b G d G b q z Dispositivo de sombreado G G = G b cos q z + G d 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/m 2 Altitud de 5000 m snm: ~1,050 W/m 2 Valor normalizado para cálculos: 1,000 W/m 2 VALOR PICO DE LA IRRADIANCIA En un día nublado, la Irradiancia típica es de 100 W/m 2.
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 11 www.cie.unam.mx
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. 13 www.cie.unam.mx
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 14 www.cie.unam.mx
Respuesta espectral de aparatos de medida 15 www.cie.unam.mx
Irradiancia recibida en un captador horizontal IRRADIANCIA (W/m 2 ) 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Global Directa Difusa VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN -100 6 8 10 12 14 16 18 HORA DEL DÍA
Curvas típicas de irradiancia Registros de radiación solar Cd. Universitaria, 4, 5 y 6 de enero de 2001 1200 1000 Irradiancia, W/m2 800 600 400 200 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 Minutos 17 www.cie.unam.mx Global Directa Normal Difusa
El concepto de horas-pico como una manera de trabajar la energía solar 1000 900 1,000 W/m2 IRRADIANCIA (W/m 2 ) 800 700 600 500 400 300 200 100 Área bajo la curva A= 8,000 W-h/m 2 0 6 8 10 12 14 16 18 HORA DEL DÍA Rectángulo de base 8 hrs, altura 1,000 W/m 2 Recurso solar de 8 horas pico 18 www.cie.unam.mx
Ejemplo de Mapa del Recurso Solar (1990)
Recurso solar promedio diario anual Radiación solar Directa (kwh/m 2 /día) 20 www.cie.unam.mx
Mapa del Recurso Solar Irradiación Global Valores promedio diario anual Captador Horizontal Horas solares pico
Fuentes de Información http://www.eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse-grid.cgi? http://www.heliogis.com 22 www.cie.unam.mx
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
Orientacion 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 NORTE magnético Nm NORTE verdadero DECLINACIÓN 270º O 90º E 180º S 167º S verdadero Brújula 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.
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 7º E 6º E 5º E 4º E Declinación Magnética
INSOLACIÓN RELATIVA Energía recibida en un captador con diferente inclinación Irradiación recibida por un captador 1.5 L+15 1.0 L L-15 0.5 0.0 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/m 2. La Irradiación es una densidad de energía y se mide en Wh/m 2. El valor normalizado de la Irradiancia para fines prácticos es de 1,000 W/m 2, y se le llama el Pico de Irradiancia. La Hora-Pico es una densidad de Energía. 1 H-P = 1,000 Wh/m 2
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.
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