Fundamentos deEnergía Solar

Contenido

• Introducción

• Sistemas de Energía Solar

• Radiación solar

• Posición Solar

• Herramientas Analíticas

Energía Solar

• La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol.

• La energía solar se refiere primordialmente al uso de la radiación solar para fines prácticos.

• Todas las energías renovables excepto la geotérmica y la de las mareas, derivan su energía del sol

Energía Solar

Fuente: Original JPG por Frank van Mierlo

Energía Solar

Fuente: New renewable energy sources, Norway

Energía Solar

• Superficie de Sonora = 179,355 km2

• 1 % = 1,793.55 km2 = 1,739.55x106 m2

• Radiación solar global promedio anual del Estado = 5.9 kWh/m2/día• Rad. Solar 1% Sonora = 10,582x106 kWh/día

• Plantas termoeléctricas producen 3.57 kWh/litro de combustóleo• Un barril = 159 litros →567.63 kWh/barril

• Energía de 1% superficie de Sonora = 18.64x106 barriles/día

• Producción Petróleo Mundial = 89x106 barriles/día

• Producción Petróleo México = 2.6x106 barriles/día

A-17

Usos de la Energía Solar

• Arquitectura y planeación urbana

• Agricultura y horticultura – invernaderos

• Iluminación solar

• Solar Térmica

• Solar Fotovoltaica

• Generación de energía eléctrica con el sol

Usos de la Energía Solar

• Energía Solar Activa. Utiliza dispositivos mecánicos para el movimiento de flujos de líquidos o gases.• Baja temperatura (entre 35°C y 60°C) – edificios

• Media temperatura (hasta 300°C)

• Alta temperatura (hasta 2000°C)

• Energía Solar Pasiva. Aprovecha el calor del sol sin necesidad de mecanismos o sistemas mecánicos

Usos de la Energía Solar

• Energía Solar Térmica. Aprovecha la energía del Sol para producir calor.• Calentamiento de un fluido

• Cocimiento de alimentos (cocinas solares)

• Secado Solar

• Destilación de agua

• Calefacción de edificios

• Enfriamiento de edificios (sistemas de absorción)

• Hornos solares (fundición)

• Generación de energía eléctrica

Usos de la Energía Solar

• Energía Solar Fotovoltaica. Aprovecha la energía del Sol para producir energía eléctrica a través de dispositivos tales como:• Celdas de silicio

• Celdas de capa delgada

• Celdas orgánicas

Usos de la Energía Solar

Satelite Solar-Power System (SSPS)

Sistemas de Energía Solar(generación eléctrica)• Energía Solar Fotovoltaica

• Sistema Fotovoltaico de Placa Plana

• Sistema Fotovoltaico Concentrado

• Energía Solar Térmica• Sistema Concentrador Lineal Cilindro-Parabólico

• Sistema Concentrador Lineal de Reflectores Fresnel

• Sistema Concentrador de Disco y Motor

• Sistema Concentrador de Torre de Potencia

Sistema Fotovoltaico de Placa Plana

• Son los diseños de módulos o paneles más comunes.

• Estos paneles pueden estar fijos en un lugar o permitir que ellos sigan el movimiento del sol.

• Ellos responden a la luz del sol que es, ya sea directa o difusa.

• La ventaja de los paneles fijos es que no tienen partes móviles y por lo tanto no requieren de equipo extra, además son relativamente más ligeros.

• Debido a que los paneles se fijan en un lugar, su orientación al sol está usualmente en un ángulo que prácticamente es menos óptimo, por lo tanto recolecta menos energía por unidad de área comparado con los arreglos con seguimiento.

• Sin embargo esto se puede compensar con el alto costo de los sistemas con seguimiento solar.

Sistema Fotovoltaico de Placa Plana

• La granja solar con Sistemas Fotovoltaicos de Placa Plana más grande del mundo en la actualidad es la Granja Solar Topaz que se encuentra en el Condado de San Luis Obispo, California, USA de 550 MW, con tecnología de película delgada (CdTe), fabricados por First Solar. Inició su construcción en Noviembre de 2011 y terminó en Noviembre de 2014.

Sistema Fotovoltaico Concentrado

• La razón de usar concentradores es poder usar menos material en las celdas solares

• Un sistema concentrador incrementa la potencia de salida mientras se reduce el tamaño o el número de celdas

• La eficiencia de la celda se incrementa

Sistema Fotovoltaico Concentrado

• Se puede usar reflectores o lentes para concentrar la luz, aunque lo más prometedor para éste tipo de sistemas es el lente Fresnel, el cual tiene una pequeña hendidura diseñada para enfocarla luz. Sin embargo ningún lente pude transmitir el 100 % de la luz incidente. Los mejores lentes pueden transmitir tan sólo 90 % a 95 % y en la práctica la mayoría transmite menos. Además, los concentradores no pueden enfocar la luz difusa, la cual llega a ser hasta el 20 % de la radiación solar disponible en un día claro.

• La alta relación de concentración también induce a un problema de calor. Cuando la radiación es concentrada, también lo es la cantidad de calor producida. La eficiencia de las celdas disminuye cuando la temperatura se incrementa, y también las altas temperaturas pueden dañar la estabilidad a largo plazo de las celdas solares. Por lo tanto, las celdas solares deberán mantenerse enfriadas en un sistema concentrador.

• Éste sistema se encuentra aún en etapa experimental pero se han logrado alcanzar eficiencias de hasta un 41.1 %.

Sistema Fotovoltaico Concentrado

• Algunas ventajas del sistema fotovoltaico concentrado comparado con los sistemas de placa planas son: el sistema concentrador incrementa la potencia de salida mientras se reduce el tamaño o el número de celdas requeridas. Una ventaja adicional es que la eficiencia de la celda solar se incrementa bajo la luz concentrada. Otra ventaja es que un concentrador puede estar hecho de pequeñas celdas individuales. Esto es una ventaja porque es más difícil producir celdas solares de alta eficiencia en grandes áreas que producirlas en celdas de áreas pequeñas.

• Sin embargo, varios retos existen al usar concentradores. Por ejemplo, los concentradores ópticos requeridos son significativamente más caros que la simple cubierta requerida para el sistema solar de placa plana. Así, el adquirir grandes relaciones de concentración significa usar no sólo mecanismos de seguimiento muy caros, pero también, controles más precisos que los de los sistemas de placa plana con estructuras estacionarias.

Concentrador Lineal Cilindro-Parabólico

La luz del sol se concentra en un largo tubo horizontal ... para calentar el aceite y producir vapor para generar energía eléctrica a través de una turbina de vapor y generador.

Actualmente el sistema más grande está en el Desierto Mojave, California, USA, con una capacidad de 354 MW y está en proyecto otro de 553 MW.

Concentrador Lineal de Reflectores Fresnel

• Los espejos, ya sean planos o ligeramente curvos, son montados en el mecanismo de seguimiento en el piso, estos son configurados de tal forma que reflejen y enfoquen la luz del sol en el tubo receptor colocado en la parte superior de los espejos.

• Algunas veces se coloca un pequeño espejo parabólico en la parte superior del recibidor para enfocar mejor la luz del sol.

• En la actualidad, el más grande se encuentra en Murcia, España, con 31.4 MW y se proyecta uno de 300 MW para florida.

Concentrador de Disco y Motor

• Un disco parabólico de espejos dirige y concentra la luz solar hacia el centro de un motor que produce electricidad. El concentrador solar o plato concentra la energía del sol. El rayo resultante de la luz del sol concentrada es reflejada hacia un recibidor que colecta todo el calor solar. El disco está montado sobre una estructura que sigue al sol continuamente durante el día para reflejar el más alto porcentaje de luz solar hacia el recibidor térmico. La unidad de conversión de potencia incluye al recibidor térmico y al motor-generador.

• El sistema motor-generador es un subsistema que toma el calor del recibidor térmico y lo utiliza para producir electricidad. Actualmente, el tipo más común de motor de calor utilizado en un sistema disco-motor es el motor Stirling. Un motor Stirling utiliza el fluido calentado par mover pistones y crear potencia mecánica. El trabajo mecánico, en forma de rotación de la flecha del motor, mueve al generador y produce potencia eléctrica.

• El proyecto más grande de éste tipo se encuentra en Arizona, USA de 1.5 MW.

Concentrador de Torre de Potencia

En éste tipo de sistema, una gran cantidad de espejos planos seguidores del sol, conocidos como helióstatos, enfocan la luz del sol hacia un recibidor en lo más alto de una torre. El calor transferido al fluido calentado en el recibidor es usado para generar vapor, el cual, a su vez, es usado en una turbina-generador convencional para producir electricidad. Algunas torres de potencia utilizan como fluido agua/vapor.

El primer proyecto demostrativo de Torre de Potencia a gran escala fue desarrollado en los Estados Unidos. Durante su operación de 1982 a 1988, la planta solar SolarOne de 10 MW cercana a Barstow, California.

Actualmente, España tiene varios Sistemas de Torres de Potencia operando o bajo construcción. La Planta Solar 10 y la Planta Solar 20 son sistemas de agua/vapor con capacidades de 11 y 20 MW respectivamente. Solar Tres Producirá alrededor de 15 MW de electricidad y tendrá la capacidad de almacenar energía con sales fundidas.

El más grande se encuentra en el Condado de San Bernandino, California, USA con una capacidad de 392 MW. Se terminó en Febrero del 2014.

Constante Solar

• Es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida fuera de la atmósfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol.

Constante Solar

• La constante solar incluye todo tipo de radiación solar, no sólo la luz visible.

• Es medida por satélites

• La actual Radiación Solar Directa fuera de la atmósfera fluctúa por alrededor del 6.9 % durante un año, de 1,412 W/m2 en Enero 3 (perihelio) a 1,321 W/m2 en Julio 4 (afelio) debido a la variación de distancia entre la tierra y el sol.

• La constante solar no permanece constante sobre largos períodos de tiempo.

• El valor aproximado considerado es de 1,366 W/m2.

Constante Solar

Espectro Electromagnético

Espectro Electromagnético

El espectro de Radiación Electromagnética se puede dividir en 5 regiones:

• Ultravioleta C o rango (UVC), que abarca un rango de 100 a 280 nm. El término de radiación ultravioleta se refiere al hecho de que la radiación está en una frecuencia más alta que la luz violeta (y, por tanto, también invisible al ojo humano). Debido a la absorción por la atmósfera muy poco llega a la superficie de la Tierra (litosfera). Este espectro de radiación tiene propiedades germicidas, y se utiliza en las lámparas germicidas.

• Ultravioleta B o (UVB) se extiende en un rango 280 a 315 nm. También es en gran medida absorbida por la atmósfera, y junto con UVC es responsable de la reacción fotoquímica que conduce a la producción de la capa de ozono.

• Ultravioleta A o (UVA) se extiende por 315 y 400 nm. Ha sido tradicionalmente como menos perjudiciales para el ADN, y por lo tanto utilizado en el bronceado y la terapia PUVA para la psoriasis.

• Rango visible o luz se extiende de 400 a 700 nm. Como su nombre lo indica, se trata de un rango que es visible a simple vista.

• Rango infrarrojo que se extiende en un rango de 700 nm a 106 nm [1 (mm)]. Es responsable de una parte importante de la radiación electromagnética que llega a la Tierra. También se dividen en tres tipos en función de la longitud de onda:• Infrarrojo - A: de 700 nm a 1,400 nm • Infrarrojo - B: de 1,400 nm a 3,000 nm • Infrarrojo - C: de 3,000 nm a 1 mm.

Radiación Solar

• Radiación solar es el conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el Sol.

• El Sol se comporta prácticamente como un cuerpo negro el cual emite energía siguiendo la ley de Planck a una temperatura de unos 6000 K.

• La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta.

• No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el ozono. La magnitud de la radiación solar que llega a la Tierra se mide por unidad de tiempo y área.

• Sus unidades son W/m2 (Watt por metro cuadrado) o en algunos casos se mide en kWh/m2/día.

Radiación Solar

Radiación Solar

Radiación Solar

Radiación Solar

• Nomenclatura solar:I – energía solar recibida en un periodo de 1 hora (J/m2)H – energía solar recibida en un día (J/m2)ഥH – energía solar recibida en un día promedio del mesG – La razón de energía solar recibida (J/sm2 = W/m2)

• Subíndices:• Hay 3 tipos de radiación sobre una superficie

• Directa (beam), crea sombra – b ó D• Difusa, emana de todo el cielo y no crea sombra - d

• Reflejada, la cual refleja de las superficies de los alrededores a la superficie en cuestión -refl

• Si no aparece ningún subíndice de los anteriores entonces incluye a todas y es llamada global o total

Radiación Solar

• Subíndices• Superficies

• Inclinada (Tilted), la superficie está inclinada con respecto a la superficie de la tierra – T

• Normal, la superficie, generalmente imaginaria, que recibe la radiación es normal o perpendicular a la radiación solar directa – n ó N. n se usa con b (beam) y N con D (Directa = beam)

• Horizontal, la superficie está sobre o es paralela a la superficie de la tierra. Si no aparece los subíndices T, n ó N, entonces es superficie horizontal

• La radiación recibida en el espacio (radiación extra-terrestre), sobre un plano paralelo a la superficie de la tierra – o. Los efectos de la atmósfera son eliminados.

Análisis de la Exposición Solar en el Sitio

• Posición Solar:• Latitud y Longitud• Declinación Solar• Declinación Magnética• Tiempo Estándar• Tiempo Solar• Hora Angular• Ángulo de Altitud Solar• Ángulo de Azimut Solar• Ángulo de Incidencia• Otros Ángulos

Latitud y Longitud Terrestre

La Paz, B.C.S (aeropuerto): Latitud = 24.07° Norte, Longitud = 110.36° Oeste

Declinación Solar

• El plano de revolución de la Tierra alrededor del Sol se denomina plano eclíptico.

• La Tierra gira sobre sí misma alrededor de un eje denominado eje polar, el cual se encuentra inclinado aproximadamente 23.5° de la normal del plano eclíptico.

• La rotación de la Tierra alrededor de este eje ocasiona los cambios diurnos en la radiación solar incidente; la posición de este eje relativo al Sol produce los cambios estaciónales en la radiación solar.

• El ángulo entre el eje polar y la normal al plano eclíptico permanece invariable.

• Lo mismo se cumple para el ángulo entre el plano ecuatorial de la Tierra y plano eclíptico.

• Aunque, el ángulo que forman el plano ecuatorial y la línea que une los centros del Sol y de la Tierra cambia cada día, de hecho, cada instante.

• Este ángulo es denominado declinación solar

• La declinación es cero en los equinoccios de primavera y de otoño y tiene un valor aproximado de + 23.5 en el solsticio de verano y cerca de -23.5 en el solsticio de invierno.

Declinación Solar

Declinación SolarDeclinación Solar (d)

(+) en verano

(-) en invierno

n se conoce como el día Juliano

Declinación Magnética

• La declinación magnética en un punto de la tierra es el ángulo comprendido entre el Norte Magnético Local y el Norte Verdadero (o Norte Geográfico).

• Es la diferencia entre el norte geográfico y el indicado por una brújula (norte magnético)

• Por conveniencia la declinación es positiva cuando el norte magnético se encuentra al este del norte verdadero y negativa si se encuentra al oeste.

Declinación Magnética

Declinación Magnética

• Para localizar la diferencia en grados del Norte Magnético al Norte Verdadero (Declinación Magnética) usar la siguiente referencia:

http://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/

Tiempo Estándar

Tiempo Solar

• Tiempo Solar (ST)ST = Tiempo Est. + 4(Lst - Lloc) + E

E = 9.87 Sen(2B) - 7.53 Cos(B) - 1.5 Sen(B)

B = [360(n - 81)/(364)]

n = n'esimo día del año (Día Juliano)

• Resultado:ST = STh:Stm

STh son las horas de ST

STm son los minutos de ST

ST es en formato de 24 horas

• Tiempo Est. = tiempo en el reloj (hora de la Montaña para La Paz)

• Lst = Longitud Estándar (120° W Pacífico, 105°W Montaña, 90°W centro)

• Lloc = Longitud Local (110.36° W, para La Paz)

Analema

• Gráfica que indica simultáneamente la declinación solar para cada día del año en una escala vertical y la ecuación del tiempo en una escala horizontal con la indicación de los momentos en los que el Sol va más deprisa que el reloj a la izquierda del eje central y los momentos en que va más despacio a la derecha

Analema

Hora Angular (w)

• Expresa el Tiempo Solar (ST) en gradosw = 15° (hora)

w = 0 a mediodía (12:00 PM)

w es (-) en AM (este)

w es (+) en PM (oeste)

• m = STm/60

• w = 15[(STh + m)-12]

Posición Solar

Posición Solar

• Ángulo Altitud Solar (as). Es la altura del Sol con respecto a un plano horizontal. Es el complemento del ángulo Zenit (qz).

• Ángulo Azimut Solar (gs). Es el ángulo entre el Sur Verdadero y una línea de proyección del Sol en el Horizonte. Desplazamientos hacia el este del sur son negativos y hacia el oeste del sur son positivos.

f = Latitudd = declinación solarw = hora angular

Posición Solar

• Ángulo Azimut superficial (g). la desviación de la proyección sobre un plano horizontal de la normal a la superficie de la meridiano local, con valor de cero viendo hacia el sur, negativo al este y positivo al oeste; -180° ≤ g ≤ 180°.

• Ángulo de inclinación (b). El ángulo entre el plano de la superficie en cuestión y la horizontal; 0°≤ b ≤ 180°.

• Ángulo Zenit (qz). el ángulo entre la vertical y la línea al sol, es decir, el ángulo de incidencia del haz de radiación sobre una superficie horizontal.

Posición Solar

• Ángulo de Incidencia (q)• el ángulo entre el haz de radiación sobre una superficie y la normal a dicha

superficie.

Posición Solar

• Ángulo de Perfil (Profile Angle – P)• Es el ángulo entre la normal de una superficie y la

proyección de los rayos del Sol sobre un plano normal a la superficie.

P = Ángulo de Perfilas = Ángulo de la Altitud Solarg = Ángulo del Azimut Superficial (normal a la ventana)gs = Ángulo del Azimut Solar

Si P > Ángulo del Edificio (BA) entonces No hay Sombra en el edificioSi P < Ángulo del Edificio (BA) entonces hay Sombra en el edificio

Si P > Ángulo del Volado (OA) entonces Sombra en la ventanaSi P < Ángulo del Volado (OA) Entonces Sol en la ventana

Si P > Ángulo del Módulo (MA) entonces no hay Sombra en el móduloSi P < Ángulo del Módulo (BA) entonceshay Sombra en el módulo

Radiación Solar Extraterrestre

• La radiación solar extraterrestre es la radiación solar diaria que se recibe sobre una superficie horizontal situada en el límite superior de la atmósfera.

• El valor se define a partir del valor de la constante solar. Recordamos que la constante solar se define como la cantidad de radiación que se recibe en la capa superior de la atmósfera, sobre una superficie unidad perpendicular a los rayos solares y a una distancia del Sol media.

• En consecuencia, para calcular la radiación solar extraterrestre se debe corregir la constante solar considerando que la distancia Sol-Tierra varía a lo largo del año, y pasando también de una superficie perpendicular a los rayos solares a una horizontal a la Tierra.

Radiación Solar Extraterrestre

Donde:Io es la radiación solar extraterrestre por horaHo es la radiación solar extraterrestre por díaIsc es la constante solarn es el día Julianoas es la altitud solar

Disponibilidad del Recurso Energético

• Para la realización de cálculos de Energía Solar es indispensable conocer, además de la radiación solar disponible, algunas otras condiciones meteorológicas tales como:• Temperatura del aire,

• Humedad del aire,

• Presión atmosférica,

• Otras…

Estación Meteorológica

• Una estación meteorológica es una instalación destina a medir y registrar regularmente diversas variables meteorológicas como la temperatura de bulbo seco, la humedad relativa, la presión atmosférica, la velocidad del aire, la dirección del aire, la precipitación pluvial y algunas otras variables como la radiación solar.

Estación Meteorológica

• Los instrumentos más comúnmente utilizados en las estaciones meteorológicas son:• Termómetro de bulbo seco, para medir la temperatura ambiente• Termómetros de subsuelo, para medir la temperatura a 5, 10, 20, 50 y 100 cm de

profundidad• Psicrómetro o higrómetro, para medir la humedad relativa del aire y la temperatura de punto

de rocío• Barómetro, para medir la presión atmosférica• Pluviómetro, para medir la precipitación pluvial• Anemómetro, para medir la velocidad del viento• Veleta, para medir la dirección del viento• Piranómetro, para medir la radiación solar total (directa + difusa)• Piranómetro UV, para medir la radiación Ultra Violeta (UV)• Heliógrafo, para medir las horas de luz solar• Nefobasímetro, para medir la altura de las nubes, pero sólo en el punto donde éste se

encuentre colocado.

Instrumentos de Medición de la Energía Solar

• Para realizar un buen proyecto de energía solar se requieren al menos los siguientes datos:• Radiación total (directa + difusa)

• Radiación directa o Radiación difusa (una de las dos)

• Datos proporcionados por la estación meteorológica como temperatura de bulbo seco, humedad relativa, temperatura de punto de rocío, presión atmosférica, horas de luz de sol.

Los instrumentos para medir la radiación solar son:

Radiación totalPiranómetro

Radiación directaPirheliómetro

Radiación difusaSombreando la

trayectoria del Solsobre un Piranómetro

Instrumentos de Medición de la Energía Solar

Fuentes de Información

• Los datos meteorológicos pueden ser obtenidos al menos por dos fuentes de información:• De la NASA del Atmospheric Science Data Center, proporciona los datos de

todo el globo terráqueo de información de más de 200 satélites con información promedio mensual meteorológica de datos de 22 años estadísticos.

• Del Departamento de Energía de Estados Unidos, del National RenewableEnergy Laboratory (NREL), usando la herramienta Solar Prospector.• Proporciona datos meteorológicos hora x hora los 365 días del año, pero sólo para

Estados Unidos.

Power Data Access Viewerhttps://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/

Fuentes de Información

Fuentes de Información

• Power Data Access ViewerLa página es:

https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/• La forma de acceso es la siguiente:

• Seleccionar “POWER Single Point Data Access”• Seleccionar en 1, “SSE-Renewable Energy”• Seleccionar en 2, “Climatology”• En 3, ingresar Latitud y Longitud del sitio del que se desean los datos climatológicos

o seleccionar un punto en el mapa• En 5, seleccionar CSV, para que entregue un archivo que se pueda leer en Excel• En 6, Seleccionar los parámetros climatológicos (máximo 20 parámetros)• La página proporciona la información de diferentes parámetros meteorológicos

mensuales promedio de 22 años de datos en un rango de ½ grado de latitud y longitud.

NSRDB Data Viewer (NREL) – Proporciona los datos de radiación solar y meteorológicos hora por cada media hora.https://maps.nrel.gov/nsrdb-viewer/

Fuentes de Información

Fuentes de Información

• NSRDB Data Viewer (NREL)La página es:

https://maps.nrel.gov/nsrdb-viewer/

• La forma de acceso es la siguiente:• Aparecerá un mapa desde parte de Canada, hasta la parte norte de Chile, y la India. • Lo que está señalado de color (radiación directa promedio – DNI), es el área que abarca la

información, fuera de esa área no se tiene información.• Los que viven dentro del área marcada podrán obtener información meteorológica con datos

cada media hora.• Para desactivar la zona marcada, deseleccionar “Multi year PSM Direct Normal…”• Hacer zoom en el mapa (Escoger otra vista en “Change Base Map”) al punto deseado.• Seleccionar “Download Data”• Seleccionar “NSRDB Data Download (Point)• Dar click en el mapa• Llenar la información solicitada para que te envíen el archivo a tu correo electrónico.

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