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UNAM
Conceptos Básicos de Energía Solar
EXPOSITOR
Aarón Sánchez Juárez
Centro de Investigación en Energía-UNAMPriv. De Xochicalco s/n, col Centro
Temixco, Mor.Tel (01) 5622 9716
E-mail: [email protected]
ENERGÍA SOLAR
CAPTADOR SOLAR ABSORBEDOR
PROCESOS FOTOTÉRMICOS
PROCESO FOTOVOLTAICO
CALOR DE PROCESO
ENERGÍA ELECTRICA
ALTA TEMP.
BAJA TEMP.
GENERADOR DEELECTRICIDAD
INTERCAMBIADOR DE CALOR, TURBINA
CALENTAMIENTO DE AGUADOMESTICO E INDUSTRIAL
OTROS PROCESOS:CLOROFÍLICOS;EVAPORATIVOS
UNAM
1.12 x 10 17 watt-hr c/s
RADIACION SOLAR
FLUJO DE 1,353 watts/m 2
TIERRA
Pérdidas del 47% (IR)debidas a absorción y reemisión
Pérdidas del 30% (UV,VIS)debido a reflexiones
0.21% usado en vientos, mareas, olas,...
23% usado en evaporacióny lluvias
0.023% usado en procesos de fotosíntesis
YA QUE EL SOL ES UNA FUENTE INAGOTABLE DE ENERGÍA, ¿ DE QUE MANERA PODEMOS HACER USO DE ELLA?
UNAM
EL RECURSO SOLAR : CONCEPTOS
IRRADIANCIA: un metro cuadrado de área. UNIDADES: Watt / metro cuadradoINSOLACIÓN: UNIDADES: Si la entonces la Watt-hora/metro cuadradoCONSTANTE SOLAR ( Io
Luz Solar: Es una forma de Energía que esta formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda que abarcan el Ultravioleta, el Visible y el Infrarojo.
TÉRMINOS Y UNIDADES DE MEDICIÓN
Valor instantáneo de la potencia luminosa recibida en un captador de
( W/m2 )Valor acumulado de la Irradiancia en un tiempo dado.
unidad de medición para el tiempo es la “hora” ( h ) , INSOLACIÓN se mide en:
( W-h/m2 ) Io) : Valor de la Irradiancia fuera de la atmósfera.
= 1,353 W/m2
OTRAS UNIDADES 1,000 W-h/m2 = Langley/ 85.9 = 316.96 BTU / ft2 = 3.6 MJ /m2
UNAM
RADIACION GLOBAL
YA QUE SE TIENEN PROCESOS DE ABSORCIÓN, REFLEXIÓN YDISPERSIÓN DE LA LUZ SOLAR AL ATRAVESAR LA ATMÓSFERA,LA RADIACIÓN SOLAR SE ATENÚA EN ELLA.
UN CAPTADOR SOLAR PUEDE RECIBIR LA RADIACIÓN SOLARDE 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 vieniera de la bóveda celeste. Esta compuesta por la reflejada y la refractada.
RADIACIÓN GLOBAL = DIRECTA + DIFUSA
En un día despejado la radiación directa es la máxima componente querecibe un captador.
En un día nublado, la componente máxima corresponde a la difusa.
La máxima radiación que llega a la superficie de la Tierra es de 1, 000 W/m2. Las condiciones son: día muy claro, sin pártículas en el aire, sin absorción molecular, al niveldel mar y con los rayos solares en el zenit del captador.
En un día nublado, la Irradiancia típica es de 100 W/m2.
UNAM
UNAMFACTORES QUE AFECTAN LA
RADIACIÓN SOLAR
ATMOSFÉRICOS GEOGRÁFICOS
Nubes
Partículas suspendidas
Contaminación
Rotación diaria
Traslación
Latitud y longitud
Espectro de la radiación solar en donde se muestra el efecto de atenuaciónde la atmósfera terrestre
UNAM
AM0
ZENITAM1
AM(Sec z)
Atmósfera
Superficie Terrestre
Rayos solares
48.19º
60º
70.5º
78.5º
AM5.0
AM3.0
AM2.0
AM1.5
EO
Longitud de la trayectoria de la Luz Solar al atravesar la Masa de Aire de la atmósfera y el concepto de AMX
UNAM
Movimiento de la Tierra alrededor del Sol. La inclinacióndel eje terrestre con respecto al plano de la eclíptica hace queel hemisferio norte se incline hacia el Sol en Verano y se alejede él en Invierno, produciendo las estaciones del año
UNAM
63º
50º
83º
112º
Trayectoria solar aparente en dos épocas del año. En negro se muestra paruna Latitud de 40º; y en rojo, para una Latitud de 16º.
UNAM
TRAYECTORIA SOLAR ANUAL LOCALIDAD: MONTERREY N.L. UNAM
N
S
EO
TRAYECTORIA SOLAR
abc
d
efg
a 21 Jun. 13hr, 17’b 21 Jul/May 13hr, 6’c 21 Ago/Abr 12hr, 37’d 21 Sep/Mar 11hr, 59’e 21 Oct/Feb 11hr, 23’f 21 Nov/Ene 10hr, 54’g 21 Dic 10hr, 43’
Localidad: Mérida, Yuc.Lat.: 20º 59’; NLong.: 89º 38’ 43”; ODecl. Mag.: 2.5º; E
UNAM
EQUIPO PARA MEDIR LA EQUIPO PARA MEDIR LA RADIACIÓN SOLARRADIACIÓN SOLAR
Piranómetro: Este equipo tiene la capacidad de medir la radiación total: directa + difusa.El sensor es una termopila que mide la irradiancia en 180º independientemente de la longitud de onda y del ángulo de incidencia.
Celda Solar calibrada: Debido a que la Isc de una celda solar es lineal respecto a la Irradiancia, éstas representan una buena herramienta para medir la radiación solar total.
UNAM
EQUIPO PARA MEDIR LA RADIACION 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.
UNAM
6 8 10 12 14 16 18-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN
Global Directa Difusa
IRR
AD
IAN
CIA
(W
/m2 )
HORA DEL DÍA
ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL
UNAM
El concepto de horas-pico como una manera de trabajarla energía recibida en un captador
Horas de Sol Horas de Sol
8:00 12:00 16:00
1,000 W/ m 2
10:00 14:00
0.0 W/ m 2
HORAS-PICO
8 h-p 4 h-
p
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
IRR
AD
IAN
CIA
(
W/m
2 )
HORA DEL DÍA
6 8 10 12 14 16 180
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
IRR
AD
IAN
CIA
(
W/m
2 )
HORA DEL DÍA
Area bajo la curvaA= 8,000 W-h/m2
Area bajo la curvaA= 4,000 W-h/m2
UNAM
Mapa de Insolación Solar Global Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anualdiaria promedio anual
Captador HorizontalCaptador Horizontal
Unidades Horas-PicoUnidades Horas-Pico
UNAM
INCLINACION DELCAPTADORINCLINACION DELCAPTADOR
MÁXIMA CAPTACIÓN: RAYOS PERPENDICULARES AL CAPTADOR.
ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOS
SE PUEDEN TENER: ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES
CAPTADOR FIJO IMPLICA CRITERIO DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACION QUE GARANTICE MÁXIMA GENERACION.
EN EL HEMISFERIO NORTE EL SOL SE DECLINA MAS TIEMPO HACIA EL SUR, DURANTE TODO EL AÑO;IMPLICANDO CAPTADORES INCLINADOS, RESPECTO A LA HORIZONTAL,
VIENDO HACIA EL SUR.
REGLA DE MANO: CAPTACIÓN ANUAL MÁXIMA, INCLINCACIÓN IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR.
UNAM
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
UNAM
ORIENTACION NORTE-SURORIENTACION NORTE-SUR
Recomendaciones:La cara de los módulos deben de estar 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 Mag. 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
UNAM
ÁNGULO POLAR VARIABLE: -Esta estructura se recomienda para aumentar la captación de radiación directa.
-El captador sigue el recorrido del Sol diariamente girando de Este a Oeste sobre el eje de giro Norte-Sur.
-Presenta algo de simplicidad y su ganancia relativa puede ser hasta del 40% más de energía por día comparada con un captador fijo.
-Desventajas: Alto costo y el bajo rendimiento cuando los días están nublados.
ÁNGULO POLAR Y AZIMUTAL VARIABLE:: -Los captadores se mueven en dos ejes de tal manera que obligan al captador a presentar su superficie siempre perpendicular a los rayos solares, en cualquier hora del día y cualquier época del año.
-La ganancia de captación es grande del orden del 60% más que un captador fijo.
-Desventajas: Alto costo y mayor complejidad del sistema. Mantenimiento frecuente. Bajo rendimiento en días nublados.
CAPTADORES CON SEGUIDORESCAPTADORES CON SEGUIDORES
UNAM
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130.0
0.5
1.0
1.5
INSOLACIÓN RECIBIDA POR UN CAPTADORLOCALIDAD: MONTERREY N.L.
L-15
L+15
L
INS
OL
AC
IÓN
RE
LA
TIV
A
MES DEL AÑO
ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADORCON DIFERENTE INCLINACIÓN UNAM
INSOLACION GLOBAL DIARIA PROMEDIO(HORAS-PICO)
MONTERREY, N.L.LATITUD: 25º45’N; LONGITUD: 100ºW;DECLINACIÓN MAGNETICA 7º 20’E;
ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC ANUAL
CAPTADOR HORIZONTAL3.2 3.6 4.1 4.3 4.8 5.5 6.1 5.6 5 3.8 3.3 3.0 4.4
INCLINACION = LAT-15ºCAPTADOR FIJOSEGUIDOR POLAR
3.975.3
4.185.57
4.416.04
4.326.09
4.66.58
5.197.26
5.858.04
5.637.67
5.387.38
4.075.57
4.15.47
3.834.4
4.636.35
INCLINACION = LATCAPTADOR FIJO
SEGUIDOR POLAR4.795.98
4.715.98
4.576.1
4.115.8
4.16.04
4.526.61
5.217.43
5.357.4
5.567.51
4.976.5
4.946.2
4.735.84
4.86.49
INCLINACION = LAT+15ºCAPTADOR FIJO
SEGUIDOR POLAR5.286.95
4.936.45
4.425.89
3.634.97
3.364.69
3.64.93
4.275.71
4.726.26
5.47.19
5.26.92
5.447.17
5.36.98
4.636.2
UNAMRS(I)= RS(H)/cos (0.87L)