Instituto Tecnológico de Durango

Metal-Mecánica

Mecatrónica

Taller de investigación

Angulo de incidencia de radiación solar en Durango

Profesor:

Ing. Dustin Atzael Muñoz Bayona

Elaborado por:

López Vargas Juan Carlos

Valenzuela Gurrola José Alberto

Santillano Amaya Edgar Ubaldo

Reyes Hernández Heber Alan

Fecha de entrega: 29/05/2013

ÍndiceIntroducción………………………………………………………………………………………………………………..….…1

Antecedentes………………………………………………………………………………………………………………….…2

Justificación……………………………………………………………………………………………………………………….3

Objetivo general …………………………………………………………………………………………………………..….4

Objetivos específicos…………………………………………………………………………………………………..…....5

Marco teórico…………………………………………………………………………………………………………….….…5

Conceptos importantes………………………………………………………………………………..………………....6

Angulo de incidencia y refracción solar de abordado de forma teórica……………………………13

Sistemas para determinar la radiación solar………………………………………………………….………..17

Características de la planta solar de Durango…………………………………………..………………….…23

Resultados………………………………………………………………………………………………………………..….…27

Conclusiones…….………………………………………………………………………………………………………….…29

Bibliografía………………………………………………………………………………………………………………….….29

IntroducciónEn la actualidad el uso de células solares de mejor eficiencia es todo un avance ya que a iguales sistemas de concentración permiten convertir una zona del espectro más amplia debido, por ejemplo, a las células solares multiunión compuestas por varios materiales. En todas estas tecnologías el diseño de los sistemas ´ópticos de captación y concentración para primarios y secundarios por distintos métodos de cálculo normalmente basados en la óptica geométrica, como el rayo limite, las líneas de campo, las superficies “freeform”, tiene una importancia primordial ya que el sistema ´óptico es el que consigue que la radiación llegue con el máximo flujo posible y en la distribución de irradiación adecuada a cada uso.El sector de la energía está actualmente en un periodo de cambio y reflexión. Las fuentes de energía convencionales son contaminantes y limitadas, por ello se hace imprescindible el rápido desarrollo de sistemas limpios y sostenibles. Desde las instituciones, la CE, los gobiernos centrales, regionales y locales se está legislando para incentivar en algunos casos este tipo de energías renovables. Este esfuerzo inversor, cuando está bien canalizado, lleva a las empresas a recurrir a la investigación en sistemas alternativos que hagan viable económicamente el uso de estas nuevas tecnologías. La radiación solar proviene de una fuente de energía renovable e inagotable como es el Sol.La energía solar fotovoltaica está en auge y en proceso de cambio ya que hay una clara tendencia a una adecuación de tecnología en cuanto a concentración de luz así como en empleo de células que acepten rangos espectrales más elevados que lo que es capaz de usar el silicio. MoverLas superficies receptoras (seguimiento solar) es una forma de maximizar la radiación recibida a lo largo de un periodo temporal con el objetivo de reducir el coste por kW. El seguimiento solar permite el uso de sistemas ´ópticos de concentración consiguiendo con ello reducir el ´área de la célula fotovoltaica con el objetivo básico de incrementar el rendimiento sin incrementarLos costes.

La radiación solar proviene de una fuente de energía renovable e inagotable como es el Sol. Dependiendo de su uso la energía solar se puede subdividir en tres categorías en la que las tecnologías de captación, concentración y guiado de luz son básicas:

Energía solar pasiva o directa

Energía solar térmica

Energía solar fotovoltaica

Los problemas técnicos que ha habido a lo largo de la historia se han subsanado parcialmente debido a mejoras en la fabricación, mejoras en los diseños, etc. pero hay un problema común que sigue dificultando el aprovechamiento de este tipo de energía:

Variación temporal y espacial de la radiación solar

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Para un correcto aprovechamiento de esta radiación es necesario profundizarEn los siguientes conceptos con el fin de mejorar la eficiencia:

Captación de la radiación solar

Concentración de la radiación solar

Guiado de la energía

Almacenamiento y transformación de la energía

En esta investigación se dará un enfoque a las primeras 2 características que abordarían temas como el seguimiento de la radiación solar y el Angulo de incidencia de la energía solar.

AntecedentesFechas y hechos importantes en el desarrollo de la energía solar:

1839 Edmund Bacquerel, descubre el efecto Fotovoltaico: en una celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una solución conductora, la generación de energía aumentaba el exponer la solución a la luz.

1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio.

Fotoconductividad: es el incremento de la conductividad eléctrica de la materia o en diodos propiciado por la luz.

1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido. Construyen la primera celda de selenio.

1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico.

1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin, C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento celdas solares de silicio con una eficiencia del 4,5%.

1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eficiencia del 2% al precio de $25 cada celda de 14 mW.

1958 El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite artificial alimentado parcialmente con energía fotovoltaica. El sistema FV de 0,1 W duró 8 años.

1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro.

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1973 La Universidad de Delaware construye "Solar One", una de las primeras viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un doble efecto: generar energía eléctrica y actuar de colector solar (calentado el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para acumularlo).

1974-1977 Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis Research Center (LeRC) de la NASA coloca las primeras aplicaciones en lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW.

1978 El NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas (iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora,...). Es utilizado hasta la llegada de las líneas eléctricas en 1983, y partir de entonces se dedica exclusivamente al bombeo de agua.

1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en módulos Fotovoltaicos en un año.

1981 Se instala en Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por ósmosis-inversa abastecida por un sistema Fotovoltaico de 8-kW.

1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1-MW.

1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan los 250 millones de dólares. El Solar Trek, un vehículo alimentado por EFV con 1 kW atraviesa Australia; 4000 km en menos de 27 días. La velocidad máx. es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta de EFV de 6-MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a la red eléctrica general suministra energía para 2000-2500 casas.

JustificaciónEn esta investigación se estudiara en ángulo de incidencia solar en el estado de Durango, ya que se ha observado que durante el día la mayor parte de incidencia solar varia en el transcurso del día y la mayor parte de la incidencia solarse desperdicia en los cuerpos fijos. al igual que en las diferentes estaciones del año el ángulo de incidencia es mayor o menor, esta incidencia se pretende aprovechar y buscar alguna manera de que la mayor parte de la incidencia solar que se desperdicia durante el transcurso del día y de las diferentes estaciones de año se aprovechen su totalidad para poder convertir energía solar en energía eléctrica, y por medio de la granja de energía solar de Durango ver la energía que se podía generar con el mayor aprovechamiento posible en beneficio de la comunidad.

En la actualidad y con los niveles de contaminación producidos por la generación de energía con combustibles fósiles es necesario de una búsqueda de las llamadas energías renovables o verdes que no contaminan siendo la energía solar una de las importantes y de las más accesibles en el

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estado de Durango esta energía puede en su momento remplazar las antiguas formas de generación, esta energía tiene grandes ventajas como, que es muy accesible realmente no necesita de mucho mantenimiento, a comparación de otras requiere muy poco espacio,

La necesidad de investigar el Angulo de refracción conlleva a la necesidad de conocer la radiación solar y como llega un campo de radiación es una región en la que la energía radiante se a una velocidad característica del medio. Es posible analizar de manera bastante amplia la radiometría como un campo, que se puede llamar campo de luz, tratando las unidades básicas de la radiometría como unidades del campo. En esta investigación el tratamiento del campo va a implicar que estamos en un medio sin absorción, sin difusión e isotrópico en todas las direcciones. El tratamiento vectorial de la radiometría es directamente aplicable a la fotometría mediante los correspondientes factores de conversión entre las distintas unidades.

Uno de los aspectos más para realizar esta investigación es encontrar o conocer la forma de hacer que una investigación tenga la mayor eficiencia posible por medio del Angulo de incidencia y esto es debido al comportamiento de los rayos de sol que llegan a la tierra y la posición relativa de los paneles solares respecto de esta

En el aspecto económico esta investigación ayudara en la mayor producción que generara una planta con inversiones mínimas como el seguimiento de la radiación solar y otro aspecto importante sería la reducción de espacio y la de costos gracias a implementos como son los espejos cóncavos que se utilizan para redirigir a los rayos solares a una área mucho más pequeña con celdas solares más eficientes. Como aspecto de medición de la radiación del Angulo de refracción se investigaran software de control y medición de radiación solar así como de seguimiento.

Objetivo GeneralEl objetivo que persigue esta investigación es conocer aplicación del Angulo de incidencia en la captación de energía solar

Esto implica de manera general la eficiencia que puede llegar a alcanzar el sistema con el correcto aprovechamiento del Angulo de refracción

Este objetivo se aborda desde perspectivas tanto teóricas como prácticas. Desde el punto de vista teórico se proponen métodos de diseño basados en la teoría de campo para el cálculo de sistemas concentradores y/o captadores de luz en tres dimensiones (3D). Como premisaDe partida se propone el uso del análisis vectorial y de la teoría de campoDesde el punto de vista práctico se realizara una visita a una planta de generación de energía eléctrica por medio de energía solar (fotoceldas) en Durango

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Objetivos específicosLlegar a conocer el ángulo de incidencia solar en Durango

De esta se podrían desprender otros objetivos que tal vez no quedarían definidos de manera explícita

Conocer cómo afecta la posición del sol en las distintas épocas del año Conocer cómo cambia el Angulo de incidencia a lo largo del día Medidas para controlar la completa captación de radiación Medidas de concentración de la radiación solar Factores que impiden la captación solar a un 100%

Marco teóricoReferencia de la radiación solar y uso de ella en el contexto histórico

Durante el periodo Helenístico se empieza a utilizar la radiación del Sol para calentar y enfriar edificaciones, Esquilo, Aristóteles y Jenofonte enumeraron principios de uso de la radiación solar en invierno para minimizar la ganancia de calor en verano. Arquitectos Romanos como Palladio proponen la orientación de edificaciones como una manera de aprovechar la radiación solar. Los Romanos aplicaron el vidrio para uso en ventanas, los paneles más grandes descubiertos miden 0.33 x 0.55 m. Un pasaje escrito por Palladio muestra que el vidrio trasparente es opaco a la radiación de longitud de onda larga, dando una primera aproximación a lo que se conoce actualmente como efecto invernadero. El uso de sistemas ópticos como los espejos también ha sido usado por los antiguos Griegos, conocían que apuntando un gran número de espejos planos al mismo punto podían llegar a prender fuego. Theophrastus escribe en el sigo IV a.e.c. sobre espejos hechos de plata pulida o cobre. Diocles, un matemático Griego del siglo II a.e.c., da la primera prueba geométrica de espejos parabólicos y esféricos cóncavos. Kepler y como determino ´orbitas verdaderas a partir de ´orbitas aparentes en base a las observaciones de Tycho Brahe. En 1860 August Monchot, profesor de Matemáticas, basándose en el trabajo de Saussure diseña un receptor solar creando una caldera que eleva la temperatura delEn 1878 Mouchot diseña y construye, para la Exposición Universal de Paris, un motor solar con un espejo de 5.04 m de diámetro en el eje mayor y 1 m en el menor que podía generar una presión de 6 atm. En 30 minutos. La generación de agua caliente o vapor con el que conseguir movimiento es importante pero un paso más es el uso de la radiación solar para la generación de electricidad. En 1839 Alexadre-Edmond Becquerel observa el efecto fotovoltaico, posteriormenteEn 1883 Charles Fritts [4] fabrica la primera célula fotovoltaica con una eficiencia del 1 %, estos descubrimientos proporcionan las bases teóricas y prácticas para la conversión de la radiación solar en electricidad. En 1954 en los Laboratorios Bell experimentando accidentalmente con semiconductores se encontró que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz, esto proporciona una mejora importante en la eficiencia de la conversión.

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Conceptos importantesRadiación solar

La radiación solar proviene del Sol que es una estrella que se encuentra en el centro del Sistema Solar alrededor de la cual gira nuestro planeta en una órbita elíptica. El semieje menor de la ´orbita es de 1,4966 10km siendo el semieje mayor de 1,4968 108km con una excentricidad e = 0.0167.Par´ametros importantes para el diseño de concentradores solares son:

Distancia media a la tierra: 1,496 10km

Diámetro del Sol: 1,392 1068km, 109 veces la Tierra

´Angulo medio subtendido desde la tierra: 0,53º

Temperatura media de la superficie: 5800 K

El flujo de energía solar recibido por segundo en una superficie de ´área unitaria con su normal dirigida al Sol a una distancia media de la Tierra-Sol situada fuera de la atmosfera es prácticamente constante a lo largo del año.

Esta cantidad se llama constante solar con un valor de 1353 [W/m]. La radiación emitida por el Sol comprende un espectro muy amplio de energía que va desde la radiación ultra-violeta hasta el infrarrojo, principalmente en el rango de 290 nm a 2300 nm [13]. La radiación solar al atravesar la atmosfera sufre los procesos de absorción y difusión (scattering) los cuales atenúan el espectro que llega a la superficie terrestre, producidas por estos fenómenos en el espectro que llega a la superficie de la tierra. La difusión de Rayleigh, producida por partícula pequeñas solidas o liquidas es inversamente proporcional a λ 4 es particularmente importante ya que produce una distorsión del disco solar produciendo un aumento del ´Angulo subtendido por la radiación lo que conlleva a pérdidas de flujo en los sistemas de concentración y captación. La luz visible para el ojo humano abarca una pequeña región de la radiación electromagnética emitida por el Sol que va aproximadamente desde los 380 nm a los 780 nm. La luz natural consta de tres componentes que se deben diferenciar a la hora de hacer algún estudio sobre la misma. Radiación directa proveniente del Sol, radiación difusa proveniente de la bóveda celeste y luz procedente de reflexiones (suelo, objetos externos).

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El espectro solar cambia según las condiciones atmosféricas, la orientación del Sol y la posición de observación. Por ello se han definido estándares para el espectro solar. La CIE propone mediante informes técnicos distribuciones espectrales de irradiación para el Sol. En el informe técnico CIE de 1989 se dan datos del espectro solar fuera de la atmosfera y en la superficie terrestre para distintas condiciones como luz directa, difusa y global.

También la ASTM propone diversos espectros solares que son empleados para evaluaciones de rendimiento de distintos sistemas como los fotovoltaicos.

La radiación solar que llega a la superficie terrestre puede ser directa o dispersa. Mientras la radiación directa incide sobre cualquier superficie con un único y preciso ángulo de incidencia, la dispersa cae en esa superficie con varios ángulos. Es necesario recordar que cuando la radiación directa no puede dar a una superficie a causa de la presencia de un obstáculo, el área en sombra no se encuentra completamente a oscuras gracias a la contribución de la radiación dispersa. Esta observación tiene importancia técnica para los dispositivos fotovoltaicos, que pueden funcionar incluso solamente con radiación dispersa. Una superficie inclinada puede recibir, además, la radiación reflejada por el terreno o por espejos de agua o por otras superficies horizontales, fenómeno conocido como albedo. Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie dependen:

- De las condiciones meteorológicas(De hecho, en un día nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad; en un día despejado con clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede llegar hasta el 90% [9] de la radiación total);- De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa si no hay alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie- y la mínima reflejada);

- De la presencia de superficies reflectantes(Debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno).

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Efecto fotovoltaico La conversión directa de la energía solar en energía eléctrica se debe al fenómeno físico de la interacción de la radiación luminosa con los electrones en los materiales semiconductores, fenómeno conocido como efecto fotovoltaico.El objeto físico en el que este fenómeno tiene lugar es la célula solar, que no es otra cosa que un diodo con la característica esencial de tener una superficie muy amplia (unas decenas de cm 2). Para analizar de forma más minuciosa el efecto fotovoltaico es necesario, por tanto, describir, por lo menos conceptualmente, el funcionamiento del diodo (unión p-n). Además, ya que hasta hoy el material más utilizado para la realización de las células solares es el silicio cristalino, se tomará en consideración el diodo de silicio.

La célula fotovoltaica

La conversión de la radiación solar en una corriente eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica.

La célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semi-conductor, frecuentemente de silicio. Generalmente, una célula fotovoltaica tiene un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35 mm y una forma generalmente cuadrada, con una superficie aproximadamente igual a 100 cm2

Para la realización de las células, el material actualmente más utilizado es el mismo silicio utilizado por la industria electrónica, cuyo proceso de fabricación presenta costes muy altos, no justificados por el grado de pureza requerido para la fotovoltaica, que son inferiores a los necesarios en electrónica.Otros materiales para la realización de las células solares son:

Silicio Mono-cristalino: de rendimiento energético hasta 15/17%;

Silicio Poli-cristalino: de rendimiento energético hasta 12/14%;

Silicio Amorfo: con rendimiento energético menor del 10 %;

Otros materiales: Arseniuro de galio, diseleniuro de indio y cobre, telurio de cadmio;Actualmente, el material más utilizado es el silicio monocristalino que presenta prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro material utilizado para el mismo fin.

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Norte Verdadero

La del norte verdadero está marcada en el cielo por polo norte celeste. Para la mayoría de los casos prácticos, es la posición de Alfa Ursae Minoris (Polaris). Pero, debido a la precesión del eje de la Tierra, el norte verdadero gira en una rotación que tarda alrededor de 2500 años en completarse. El 2002, Polaris se encontraba en su posición más cercana al polo norte celeste. Hace 2000 años en cambio la estrella más cercana al polo norte celeste era Alfa Draconis (Thuban).

El norte geográfico es el norte real o verdadero, un punto no visible. La estrella Polar de la constelación Ursa Minoris (Osa menor) es circumpolar es decir está muy cercana al norte magnético y sirve para localizar aproximadamente el norte real.

La diferencia que existe entre estos dos nortes se conoce como Declinación magnética y de acuerdo al lugar en donde te encuentras será su valor dado en grados minutos y segundos

El Polo Norte Magnético se encuentra a 1800 kilómetros del Polo Norte Geográfico. En consecuencia, una brújula no apunta exactamente hacia el Norte geográfico; la diferencia, medida en grados, se denomina declinación magnética. El polo Norte magnético está desplazándose por la zona norte canadiense en dirección hacia el norte de Alaska.

El Polo Norte geográfico es uno de los dos lugares de la superficie de un planeta coincidente con el eje de rotación; es opuesto al Polo Sur. Está situado en el Océano Ártico, donde el mar está cubierto por un casquete de hielo.El Polo Norte magnético terrestre actualmente está situado a unos 1.600 km del polo Norte geográfico, cerca de la isla de Bathurst, en la parte septentrional de Canadá, en el territorio de Nunavut. Aunque magnéticamente hablando no es exactamente un polo norte sino un polo Sur usualmente es llamado así para no confundirlo al hablar de temas relacionados con la navegación ya que se usa para resaltar que se habla del Norte que marca la brújula y no el "real" que usualmente traen los mapas.El Polo Sur Geográfico es definido como uno de los dos puntos donde el eje de rotación de la Tierra intercepta con su superficie. Sin embargo, el eje de rotación terrestre es susceptible a cambios, por lo que esta definición no es completamente precisa. El punto de proyección del Polo Sur Geográfico a la esfera celeste da lugar al polo celeste sur.En la Tierra está situado sobre la Antártida, a aproximadamente 2.600 km del polo sur magnético. Está situado sobre una meseta llana, helada y ventosa a 2.835 m de altitud sobre el nivel del mar.El Polo Sur Magnético se define como el lugar donde el campo magnético del planeta es perpendicular a la superficie, y es un sitio muy cercano al polo sur geomagnético y al polo sur geográfico, aunque en un sentido estrictamente magnético es un polo norte, hacia el cual apunta el polo sur de una brújula.

Porque el error de ubicación del polo norte verdadero

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Seguimiento solar

Determinada su orientación por los ángulos azimutal y de elevación, el seguimiento del sol en cada uno de estos ejes se consigue mediante el bucle de control, utilizando en ambos idénticos sistemas fotosensores, situados estos en una pieza solidaria al panel, que sumado a las funciones de retorno nocturno y paro por falta de luminosidad que son necesarias para el buen funcionamiento del sistema de captación.

Incidencia de la radiación en un panel solar

Los paneles captan la radiación emitida por el sol y no su calor, por lo cual estos están en funcionamiento durante todos los días del año, sin embargo la radiación emitida en un día soleado es diferente a la de un día nublado, incidiendo de manera distinta sobre un panel solar.

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Incidencia de las diferentes radiaciones sobre el panel solar

Al usar energía fotovoltaica es necesario tener en cuenta estos conceptos de radiación, y sobre todo el que se refiere a radiación directa ya que es el que mayor potencia tiene. Para esto también debemos considerar ciertos factores climáticos, en un día nublado la radiación presente es más bien difusa, en cambio en un día soleado la radiación recibida es directa. En un día claro, sin partículas suspendidas en el aire y a nivel del mar, con el sol enfocando directamente sobre el panel solar, la radiación máxima directa que llega al panel solar es aproximadamente de 1000 watts/m2.

Otros factores que afectan a la radiación son la inclinación de la superficie que la recibe y la posibilidad que esta sea o no reflectante, las superficies blancas son las que más reflejan radiación.

Posición del sol

Es importante considerar que las posiciones del sol varían en cada estación del año desde que sale el primer rayo de sol hasta el atardecer, esto se debe tener en cuenta para aprovechar al máximo la energía que recibe el panel solar. La orientación y el ángulo de inclinación del panel son factores importantes a la hora de optimizar el aprovechamiento de energía.

Orientación y Angulo de Inclinación

Se ha dicho que las condiciones óptimas para que un panel aproveche al máximo la energía es con la presencia de luz solar plena y a la vez este deberá ser orientado de la mejor forma hacia el sol, no sólo en los días soleados, si no también durante todo el año. Es así como si un panel está situado en el hemisferio norte, deberá tener una orientación hacia el sur y lo contrario sucederá si se ubica en el hemisferio sur, el cual tendrá que ser orientado hacia el norte.

Ejemplos de algunas latitudes y su ángulo de inclinación:

0° a 15° = ángulo de inclinación es de 15°

15° a 25° = ángulo de inclinación es igual a la latitud

25° a 30° =latitud más 5°

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30° a 35° =latitud más 10°

35° a 40° =latitud más 15°

40° o más = latitud más 20°

El objetivo del ángulo de inclinación es que los rayos solares incidan verticalmente sobre el panel solar para mayor aprovechamiento de la energía solar.

Es de considerar que independiente de la latitud los paneles solares deben ser ubicados en un lugar despejado, libre de árboles o algún objeto que provoque sombra.

En la figura se muestra un mapa de soleamiento o insolación para la República Mexicana y cada una de las líneas corresponde a los lugares que reciben la misma cantidad de radiación. Como puede apreciarse, los estados de Sonora y Baja California son los que reciben anualmente mayor cantidad de Sol. Por otro lado, cabe señalar que la ciudad de México se encuentra entre las cinco ciudades del mundo que reciben mayor cantidad de radiación solar.

Energía Solar en México El potencial de energía solar en México se encuentra entre los más altos del mundo. El promedio de GHI (radiación horizontal global en sus siglas en inglés: global horizontal radiación) es de aproximadamente 5 kilowatts por metro cuadrado al día, lo que equivale a 50 veces más de la electricidad que cada año genera el país. Aproximadamente el 70% de México tiene un GHI superior a 4,5. El potencial de México en el mercado de la energía solar es de 45 GW de acuerdo con un estudio del Banco Interamericano de Desarrollo.

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Angulo de incidencia y refracción solar de abordado de forma teórica Óptica geométrica, propagación de la luz

La energía electromagnética que emiten los cuerpos en ciertas condiciones se llama energía radiante. La propagación de la energía radiante responde a las leyes de la óptica geométrica. Otros fenómenos de interacción que no pueden ser descritos mediante la óptica geométrica son estudiados mediante la óptica ondulatoria que considera la radiación como una onda electromagnética y puede describir fenómenos como la interferencia y la difracción. La óptica geométrica tiene como objetivo fundamental determinar la trayectoria de la energía radiante a través de distintos medios materiales. Su desarrollo se sustenta en un único postulado físico denominado principio de Fermat y en los conceptos de rayo luminoso para caracterizar a la luz y el concepto de índice de refracción para caracterizar a los medios materiales.

Rayo de luz

Las trayectorias de la energía radiante en su propagación constituyen los rayos de luz. Si tenemos un punto emisor infinitamente pequeño situado a cierta distancia de una pantalla opaca con un orificio de Tamaño finito, el punto emisor y el orificio determinan geométricamente un cono. Este cono de luz recibe el nombre de haz de rayos. Cuando el diámetro del orificio tiende a 0 llegamos al concepto teórico ideal de rayo de luz. Este concepto de rayo no se puede obtener experimentalmente ya que si el diámetro del agujero se acerca a la longitud de onda de la radiación la divergencia del haz aumenta debido al fenómeno de la difracción.

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Índice de refracción

La energía radiante se propaga en el vacío a una velocidad c, en los medios materiales esta radiación se propaga a una velocidad v. La velocidad en los medios materiales varia con la naturaleza de los mismos, podemos definir el índice de refracción como

En un medio homogéneo e isótropo la velocidad de la energía radiante es igual en todos sus puntos y direcciones, por ello su índice de refracción será constante. Si el índice de refracción varía de un punto a otro y es independiente de la dirección tendremos un medio heterogéneo. Cuando la dirección implica un cambio de índice tendremos un medio anisótropo. Como ejemplo típico de medio isótropo y homogéneo tenemos los vidrios ópticos. El fenómeno de la dispersión cromática es debido a que el índice de refracción varia con la longitud de onda, por ello cuando se define un índice de refracción para un medio material es para una longitud de onda concreta.

Principio de Fermat

El principio de Fermat permite describir la propagación de la energía radiante a través de distintos medios. En un material estratificado compuesto de m capas con índices de refracción n1 a nm el tiempo para ir de un punto A a otro B será:

Donde sí y νi son la longitud y la velocidad en las distintas capas. Si aplicamos el índice de refracción de cada capa el tiempo es

Donde Σnisi es la longitud de camino óptico (LCO). En un medio no homogéneo donde el índice de refracción es función de la posición, n(s), la longitud de camino óptico es,

Sustituyendo el índice de refracción, ecuación 1.1, se obtiene,

Así pues la longitud de camino óptico puede definirse como el producto de la velocidad de la luz en el vacío por el tiempo que tarda en recorrer la trayectoria.

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El matemático francés Pierre de Fermat postulo en el siglo XVII: Un rayo al ir de un punto A a uno B debe recorrer una longitud de camino óptico que es estacionaria o extrema con respecto a variaciones de ese camino.

La reflexión nos permite ver los objetos ya que la luz que se refleja en ellos llega a nuestros ojos. Así, por ejemplo, si un objeto absorbe todos los colores de la luz blanca excepto el rojo, que es reflejado, aparecerá ante nosotros de ese color.

La refracción tiene lugar cuando una onda que se propaga en un medio pasa a otro en el cual su velocidad de propagación es distinta. Como consecuencia de esa distinta velocidad de propagación se produce una especie de “flexión” de la onda, que modifica su dirección de propagación.

Al pasar de un medio a otro en el cual la velocidad es distinta, la longitud de onda va a variar, mientras que la frecuencia permanece inalterada.

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Sistemas para determinar la radiación solarEl ángulo de incidencia o radiación solar se obtiene por medio de senos y coseno e integraciones dependiendo de la rotación de la tierra con respecto al sol. En la actualidad existen softwares que nos permiten determinar la incidencia solar, el movimiento del sol, determinar cuanta irradiación está llegando a los paneles cuando se encuentra nublado al igual que la incidencia en las diferentes estaciones del año.

En la granja solar de Durango se utiliza un software llamado putting el cual se encarga de todo el funcionamiento de los panes solares las funciones más notables son el movimiento que hace en los paneles de + 85º y -85º que son los grados de inclinación que permite mover el sistema a los paneles para que sigan al sol durante todo el día, este software hace el funcionamiento de todas y cada una de los paneles y detecta y alguno está dañado o ha dejado de funcionar al igual que el funcionamiento de los motores y cajas de mando.

Este software además de hacer el funcionamiento de todos los sistemas de control de la granja solar permite monitorear la radiación del sol, la cantidad de energía que se está generando a través de los paneles, al tiene un GPS que permite al software ver la posición del sol .El software adquiere información de la estación climatológica, y este a su vez da las orden para seguir la inclinación del sol.

Este software permite guardar estadísticas de todos los días meses en la cual se estuvo trabajando la planta.

También nos permite estar manejando la planta desde lugares lejanos y ver el funcionamiento de la misma así como detenerla si hay alguna falla.

En conclusión el software putting es un programa gráfico multifuncional, que permite calcular y visualizar diversas variables directamente relacionadas con la energía solar y el diseño de edificaciones. He aquí algunas de sus capacidades:

* Determina las sombras de los diferentes elementos de un edificio. * Calcula los ángulos de incidencia de los rayos solares para cualesquiera orientaciones (no solamente para orientación Norte-Sur) e inclinaciones de los captadores. * Genera las trayectorias del Sol en cualquier día del año y para cualquier latitud. * Calcula la ganancia solar a través de ventanas, puertas, superficies acristaladas de invernaderos, etc. Es una herramienta informática imprescindible para cualquier ingeniero, arquitecto o técnico que desarrolle o desee desarrollar una actividad en el área de la energía solar, arquitectura bioclimática, etc.

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Solar Design Studio V. 6.0

Para Windows 95, 98, NT, XP (idioma inglés)

Solar Design Studio v. 6.0 es un software diseñado para simular el funcionamiento anual, en base horaria, de un sistema de energía fotovoltaica, de acuerdo con el diseño y los datos climáticos seleccionados por el usuario. El propósito del programa es ayudar en el diseño de un sistema FV, facilitando una amplia y precisa información sobre la energía generada, el consumo, el apoyo energético necesario y los aspectos financieros relativos a la instalación del sistema propuesto. Solar Design Studio V. 6.0 va dirigido a los profesionales en el diseño e investigación de sistemas FV, pero se ha desarrollado de forma que también los diseñadores noveles puedan evaluar sus diseños.

PV-DesignPro-S: sistemas FV autónomos con baterías. PV-DesignPro-G: sistemas FV sin baterías conectados a red. PV-DesignPro-P: sistemas FV de bombeo sin baterías. SolarPro: calentamiento activo de agua por energía solar. SolarProSI: similar a SolarPro, pero utiliza unidades SI. WHCG: generador mundial de datos climáticos horarios. IVTracer: simulación de la curva V-I de módulos FV. ModuLab: similar al anterior, análisis paramétrico en 3 ejes. SunPlot3D: trayectoria y ángulos solares. Meteonorm Converter: conversión de ficheros tipo “Meteonorm”. Otros: programas de instalación de los datos climáticos y tutoriales diversos

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Se incluyen archivos de datos climáticos y herramientas de instalación que permiten utilizarlos en el programa: 239 lugares de EE.UU., Alaska, Hawái, Puerto Rico y UAM; 348 lugares fuera de EE.UU.: África: 57, Asia: 121, Australia/Oceanía: 10, Europa: 44, Norteamérica (no EE.UU.): 10, Sudamérica: 42, Suiza: 64.

La demanda eléctrica del sistema puede especificarse según perfiles semanales, de fin de semana y de vacaciones. En la simulación anual se mantiene el consumo horario durante las distintas semanas y fines de semana.

El campo FV se modela según ecuaciones reconocidas y aceptadas, y usando los parámetros facilitados por el fabricante de los módulos. El usuario sólo tiene que seleccionar un tipo de módulo entre los que figuran en la base de datos de módulos FV, e indicar las conexiones serie y paralelo. Se muestran varios gráficos, como la curva característica I-V, que facilitan al diseñador la estimación del funcionamiento.

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El programa incorpora seis tipos de seguimiento solar: 1. Fijo, 2. Según un eje horizontal E-O, 3. Según un eje horizontal N-S, 4. Según un eje vertical, 5. Según un eje polar, y 6. Según dos ejes. De esta forma, pueden evaluarse fácilmente las ventajas de utilizar cualquiera de estos métodos de seguimiento.

En el diseño pueden incluirse dispositivos de seguimiento del punto de máxima potencia, aunque debe conocerse su eficiencia. También se tiene en cuenta la sección del cableado y la distancia entre paneles y baterías, con la caída de tensión y las pérdidas correspondientes.

Se pueden seleccionar los parámetros del cargador de apoyo de las baterías y el inversor necesario para alimentar las cargas de corriente alterna (el programa incluye una base de datos con varios inversores).

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Una vez diseñado el sistema, los resultados se calculan pulsando un botón, tardando del orden de 10 segundos en completarse el cálculo. Estos son los resultados facilitados:

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Características de la planta solar de Durango

GRANJA SOLAR DE CIUDAD PECUARIA

PARQUE INDUSTRIAL CLID DURANGO

500 KILO-WATTS DE CONCENTRACION SOLAR FOTOVOLTAICA DE POTENCIA

GENERACION DE ENERGIA ELECTRICA LIMPIA Y RENOVABLE

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GENERACION ELECTRICA

• Potencia inicial de 500 Kilo-Watts DC con un plan de expansión a futuro de 10 Mega-Watts.

• Se estima que esta planta producirá poco menos de 1 Millón kWh (1,000,000 kilo-watt hora) de electricidad en el primer año de su operación.

• El consumo eléctrico personal de vivienda popular en México es de 430 kWh, la granja solar podría abastecer el equivalente a las necesidades de 2,326 personas (1,000,000 kWh dividido por 430 kWh = 2,326).

TECNOLOGIA

• Del Sol seleccionó la tecnología de concentración fotovoltaica (CPV), Skyline X14, por su alto rendimiento y bajo costo en zonas de alta insolación solar.

• La tecnología Skyline X14, utiliza espejos especialmente diseñados para concentrar la luz solar a celdas solares de alta eficiencia.

• El uso de espejos de concentración permite reducir en casi un 80% el número de las costosas celdas solares de los paneles tradicionales.

Tecnología solar actualizable: Las celdas solares del sistema X14 son reemplazables lo que evita la obsolescencia tecnológica.

La planta solar utiliza tecnología de seguimiento computarizada para posicionar a los espejos frente al sol cada minuto del día, maximizando así la generación de energía eléctrica.

La Granja Solar consta de 24 filas y 144 arreglos solares de concentración

Cada arreglo tiene una capacidad de 3,520 Watts DC

Número de paneles = 2,880

Número de espejos = 2,016

Estructuras de aluminio pre-fabricadas, ahorran 50% en componentes

Sistema de alta precisión de seguimiento al Sol, permite generar 30% más energía que paneles solares convencionales.

La granja solar es reciclable en un 99.9% pues está hecha principalmente de vidrio, aluminio y acero.

Vida útil estimada de 25 años

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Área reservada para la granja solar: 3 hectáreas.

BENEFICIOS AMBIENTALES

DESCRIPCION DEL SISTEMA

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ACERCA DE LA EMPRESA SOLAR MEXICANA DELSOL SYSTEMS

DelSol Systems México, S. A. P. I. de C. V., es una compañía de tecnología solar que tiene la misión de impulsar y desarrollar proyectos solares a gran escala en beneficio de la sociedad, incrementando la competitividad de las empresas, municipios y del medio ambiente, logrando reducir los costos de electricidad a través de energías renovables, con significativos ahorros para los usuarios. DelSol Systems es una empresa mexicana con su Alma Mater en la Ciudad de México con oficinas en Guadalajara, Puebla, Durango, Newark y San José California. DelSol cuenta con su centro de tecnología en Tehuacán Puebla. DelSol Systems, maneja las últimas tecnologías para la generación de energías solares y con base en ello diseña, implementa y administra proyectos que generan energía limpia a precios económicos buscando compartir su aplicación y conocimientos con la comunidad empresarial, industrial, gubernamental y académica.

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ResultadosDatos de la visita a la planta de energía solar

La planta tiene unos paneles solares que giran en un rango de -180 a 180 grados, estos están controlados mediante satélites gps, compensando el retazo que tiene la señal, su producción en un día soleado es de unos 600 a 700w y en un día nublado es de 800 a 900.

El sol no cae directamente en las fotoceldas si no que rebota en unos espejos de doble capa estos están diseñados como lo de los autos y tienen la ventaja de ahorrar costos en vez de que sean placas enteras, estas estructuras son prediseñadas y son de la compañía Skiline están acomodadas en 24 filas y 6 arreglos de pivote a pivote entre cada fila hay el espacio suficiente para que entre un vehículo promedio, cada tres filas están aseguradas con una conexión a tierra

El material con la que están construidos es de tecnología verde, las estructuras son de aluminio que tiene una durabilidad de 25 años, las partes dañadas son pedidas directamente al proveedor.

Están controladas por un conviner box que se encarga de la comunicación y del movimiento de los motores, cada caja controla 10 motores estos motores son los llamados motores a pasos y además estos cuentan con protección y aislamiento, que a la ves son 2 ½ filas, cada caja cuenta también con un botón de paro de emergencia así como un flotador que funciona como sensor de inundación, de los problemas más comunes son el retraso de estructuras respecto de otras ya que todos los motores son independientes, la comunicación que realiza el coviner box tiene unos indicadores led donde parpadea 5 veces un led verde para el voltaje en las líneas y una vez rojo para la corriente, los motores y todas las estructuras son reconocidas mediante su número de serie ya que todo es enviado solo para armarse.

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El software adquiere información de la estación climatológica, y este a su vez da la orden para seguir la inclinación del sol, mediante el número de serie el sistema puede detectar averías localizando la avería en la fila correspondiente, este software puede ser controlado a distancia, se ha controlado desde estados unidos y Guadalajara.

El cableado es de un calibre muy grueso por las potencia que tiene que soportar, este entra al conviner box este es subterráneo y tiene una protección de una tubería, aunque la mayoría se encuentra bajo tierra todo el cable tiene la propiedad de soportar ya sea temperatura altas o bajo cero.

La energía con la que funciona esta planta es suministrada por la CFE, el pago que se realiza de la planta sin funcionamiento es de 800 a 900 pesos mensuales mientras que en funcionamiento es de 1300

El proyecto de la planta solar se tenía contemplado en tres etapas con el fin de obtener energía más barata aunque está planeada la construcción de otra planta hasta el momento solo se logró la primera, cabe destacar que no existe un almacenamiento de energía, esta pasa del conviner a un convertidor y después se sube a el cableado de la CFE de ahí se reparte y se envía al rastro

El mantenimiento es realizado por dos personas uno de ellos se encarga de la limpieza y el otro se retira a una distancia prudente para en el caso de un accidente poderlo ayudar , estas personas están unidas por una cuerda de un material no conductor esto es para en el caso de un choque eléctrico se pueda estirar de la otra persona , cada una de ellas con el equipo de protección a adecuado, al realizar la limpieza todo debe de estar aterrizado, utilizan guantes de alta tensión que están hechos de varias capas compuestas de algodón, carnaza plástica y una base plástica dieléctrica, la limpieza se realiza sin temperatura, en la noche con agua tratada usando una parihuela esta tiene una capacidad de 450 litros y tiene un filtro de capas para purificar el agua

Existe una computadora donde se guardan datos e información acerca de lo que ocurre en la planta, se guarda principalmente en memorias extraíbles siempre teniendo cuidado de dejar una en el sistema.

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Conclusiones Nosotros concluimos que Durango es una de las ciudades de la republica mexicana donde se puso en marcha la energía solar como energía alternativa ya que la incidencia de los rayos solares en la ciudad son alrededor de 4.5 kilowatts por metro cuadrado lo cual con las medidas que se hicieron del ángulo de incidencia del sol la mayor parte de esta energía se está aprovechando al cien por ciento. Para conocer la cantidad radiación que recibe un plano horizontal, es necesario conocer la radiación a tope de atmósfera y tener datos promedios medidos del lugar. Para eso también se necesitaba saber la cantidad de incidencia del los rayos solares según la estación del año a los cuales también se les llama “valores de radiación a tope de atmósfera” estaos pueden ser calculados utilizando la geometría solar esto para calcular la incidencia en cualquier lugar y momento del año.

Una de las formas más eficientes que se utilizaron para medir y saber en qué forma llegaba la incidencia solar y como se puede usar la radiación solar de manera se debe calcular el promedio diario de radiación en el lugar, utilizando los mapas o altas de radiación solar del mundo o, mejor

aún, los datos de radiación de una estación meteorológica cercana. En el caso de Durango la radiación solar debería medirse preferentemente, por varios años.

Como conclusión y guiándonos en nuestra pregunta vertebradora sobre cómo se aplica el ángulo de refracción de energía solar en Durango, se observo que en Durango si se toma en cuenta la energía solar y se utiliza al 100% sin embargo en la planta solar que se visito se observó que no se utiliza como debería ser porque no está en funcionamiento y eso al punto de vista de nosotros es una pérdida de dinero pues debería estar funcionando para así generar energía y poder utilizarla alimentando de energía a una empresa o fabrica.

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BibliografiaJ. F. Kreider and F. Kreith. Solar energy handbook. McGraw-Hill series in modern structures (USA), 1981.

Universidad coputele de madrid TESIS DOCTORAL Sistemas ópticos para concentración, captación y guiado deradiación solar Antonio Álvarez Fernández-Balbuena pdf

Energía Solar Fotovoltaica Proyecto RES & RUE Dissemination pdf

Radicacion solar pdf

R.L. Garwin. The design of liquid scintillation cells. Review of Scientific Instruments, 23(12):755, 1952.

http://www.fotovoltaica.com/sdeinf1.pdf

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http://delsolsystems.com/solar_power-esp.html

http://www.sener.gob.mx/webSener/res/168/A6_Solar1.pdf

http://energiaverde.pe/wp-content/uploads/2010/06/Manual_ES_Fotovoltaica.pdf

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