ENERGÍA SOLARXX Simposio Peruano Energía Solar – Tacna, Noviembre 2013

Daniel Ocupa FloriánCER-UNI

Contenido• 1. Introducción• 2. Relaciones astronómicas Sol-Tierra• 3. Bóveda celeste• 4. Medición de la radiación solar• 5. Energía solar en el Perú y el mundo• 6. Formas de aprovechamiento de radiación solar

Introducción

El Sol• Es una fuente de energía

inagotable. Horno nuclear.• Su diámetro es o 1 400

000km.• Su masa es 300 000

veces la masa de la tierra.• Su temperatura

superficial es de 5600°K.• Su vida estimada es de

5000 millones de años.• La luz solar tarda 8

minutos en llegar a la tierra.

El Sol

Flujo radiantes• Su flujo radiante es de

3,8x1026W equivalente a una densidad de 62,5MW por cada metro cuadrado de superficie solar. De toda ella solo una pequeña parte, 1,37KW por metro cuadrado aproximadamente, llega a la superficie de la tierra como consecuencia de la distancia que los separa.

Constante solar• Es la radiación sobre una

superficie orientada normalmente a la dirección de los rayos solares y situada fuera de la atmósfera terrestre a la distancia astronómica unidad igual a 1.495x1011m que es la distancia media Sol-Tierra. No es una verdadera constante pues varía ligeramente, 0.1% a 0.2%, respecto de su valor central.

CS=1370 W/m2.

Energía solar• Es la fuente de vida y el origen de la mayoría de las

demás formas de energía (eólica, hidrológica, biomasa, fósil, etc.).

• Cada año la radiación solar aporta a la Tierra varias miles de veces la cantidad de energía que consume la humanidad anualmente.

• La radiación solar se transforma en otras formas de energía:• Con empleo de paneles fotovoltaicos en energía eléctrica.• Mediante colectores solares en energía térmica, que su vez

puede transformarse en energía eléctrica.

• Se distinguen tres formas de radiación solar incidente sobre la superficie terrestre: directa, difusa y de albedo.

Radiación solar directa, difusa y albedo• Directa. Es la que llega

directamente sin reflexiones o refracciones intermedias.

• Difusa. Es la generada por los efectos de difracción de las moléculas de aire y aerosoles.

• Albedo. Es la radiación reflejada de la superficie de un material.

Cálculo de la energíaLa energía que recibe una superficie de durante un día se calcula con la siguiente fórmula:

• 𝜃: Ángulo de incidencia formado entre la normal a la superficie y los rayos solares

• : Radiación solar directa

Distribución espectral solar

Relaciones astronómicas Sol-Tierra

Distancia Sol – Tierra (r)

• La Tierra gira alrededor del sol en una órbita elíptica con el Sol en uno de sus focos.

• 1 U.A = 149 497 890 ± 500 km = r0

Distancia Sol – Tierra (r)

• Donde es el número del día del año, empezando en 1 para el día 01 de Enero hasta 365 para el día 31 de Diciembre.

• Ejemplo. Para el día 11 de noviembre por tanto:

Declinación solar (𝛿)

Declinación solar (𝛿)• Ejemplo. Para el día 11 de noviembre por tanto:

•

Declinación solar (𝛿)

Tiempo solar• Se considera las 12 hora solar cuando el Sol pasa

por el meridiano de Greenwich.• Día legal. Cuando gira 24 horas respecto a un

sistema inercial.• Día solar. Cuando el sol pasa dos veces por un

meridiano. Es tiempo se considera 24 horas (promedio anual).

• Día sideral. Cuando una estrella gira un ángulo de 360°.

Posición del sol en coordenadas polares• LATITUD DEL LUGAR (𝜆): Es la

complementaria del ángulo formado por la recta que une el zenit y el nadir con el eje polar. Es positivo hacia el Norte y negativo hacia el Sur.

• MERIDIANO DEL LUGAR: Circulo máximo de la esfera terrestre que pasa por el lugar, por el zenit y por el nadir.

• DISTANCIA ZENITAL(𝜃zs): Es el ángulo formado por el radio vector punto-Tierra y la vertical del lugar. Es positivo a partir del zenit.

• ALTURA SOLAR (𝛾s): Ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal. Ángulo complementario de la distancia zenital.

• ÁNGULO ACIMUTAL (𝛹s): Ángulo formado por la proyección del Sol sobre el plano del horizonte con la dirección Sur. Positivo 0º a 180º hacia el Oeste y negativo hacia el Este 0º a -180º.

• HORIZONTE: Lugar geométrico de los puntos con altura 0.

Posición del sol relativa para superficie horizontal• 𝜔• = ángulo cenit• = declinación• = latitud del lugar• 𝜔 = ángulo horario

Bóveda celeste

Esfera celeste• Para el estudio de

soleamiento terrestre se considera que el Sol realiza su recorrido por una esfera o bóveda celeste, de la cual somos el centro.

• El gráfico representa la esfera celeste desde un punto de observación definido por la longitud y latitud.

Movimiento anual del Sol en la bóveda celeste

Ecuador celeste y polo sur celeste (hemisferio sur)

Trayectorio aparente del sol en el cielo (hemisferio norte)

Posición solar al mediodía

Duración del día en horas según latitud

Medición de la radiación solar

Sensores de radiación

• Sensores calorimétricos• Sensores termomecánicos• Sensores termoeléctricos• Sensores fotoeléctricos

Instrumentos solarimétricos• Son dos los propósitos fundamentales en el uso de

un instrumento: medición de la cantidad de energía asociada a la irradiación solar sobre un plano orientado, información acerca de la distribución espectral y espacial de la energía.

• Debido a que la irradiación solar llega al suelo terrestre en diferentes formas (directa, difusa y albedo) y estos pueden ser medidos individualmente o en conjunto podemos clasificar los instrumentos de medición de acuerdo a este criterio.

• Existen otros criterios para clasificar instrumentos como estandarización, grado de calidad, etc.

Medición de la Irradiancia directa: Pirheliómetros• Son instrumentos que

miden la irradiación directa de sol en un superficie perpendicular al rayo solar. El receptor se encuentra protegido de la irradiación indirecta y está ubicado en el fondo de un tubo. Diferentes formas de receptor y tubo derivan en diferentes tipos.

• Se puede clasificar en patrones primarios, secundarios y de campo. Pirheliómetro de compensación Angström

Pirheliómetros• Un pirheliómetro patrón primario o absoluto puede definir la

escala de irradiancia total sin recurrir a referencias. Usan receptores de cavidad y como sensores medidores diferenciales de flujo calorífico calibrados eléctricamente. Alta precisión

• El pirheliómetro patrón secundario es similar al absoluto solo que no cumple todas las especificaciones o no esta plenamente caracterizado. Puede usarse si es calibrado por comparación (WSG). Pirheliómetro de compensación Angström.

• Los pirheliómetros de campo sin usados para registro continuo de la irradiación solar y se montan sobre un sistema de seguimiento automático.

• Otros tipos: Pirheliómetro de flujo de agua, agua agitada y disco plateado Abbot, radiómetro de cavidad activa.

Pirheliómetros

Medición de la irradiancia global: Piranómetros• Miden la radiación global en un plano

horizontal. El elemento receptor debe estar horizontal y libremente expuesto al hemisferio celeste.

• Al encontrarse expuesto a todo tipo de condiciones ambientales, el piranómetro debe ser robusto en su estructura. Su elemento receptor debe encontrarse debidamente aislado) por un domo de vidrio y ser de fácil desmonte.

• Sus propiedades en relación a su precisión y confiabilidad: sensibilidad, estabilidad, tiempo de respuesta, respuesta azimutal, respuesta cosenoidal, linealidad, respuesta de temperatura y espectral.

• Usan sensores termoeléctricos, fotoeléctricos, piroelétricos , bimetálicos y se pueden clasificar de acuerdo a esta característica.

Piranógrafo Robitzsch (bimetálico)oActinógrafo

Medición de la radiación difusa

Piranómetro con una banda de sombra

Medición del Albedo

• Puede ser determinado de una manera muy simple como la proporción entre la medida de piranómetros idénticos colocados horizontalmente.

• Un piranómetro mira hacia el cielo y el otro mira al suelo. Se suele colocar ambos piranómetros unidos por detrás y sujetos a un soporte.

• Los piranómetros son puesto algunos metros por encima de la superficie del suelo.

Medición de la duración del brillo solar: Heliógrafo• El Heliógrafo mide la cantidad de

horas de sol (total en horas y décimos) durante el día en un lugar determinado.

• Es esencialmente una esfera de vidrio sólido pulido con un eje montado paralelo al de la tierra. Es necesario orientar el plano vertical que pasa por el eje e inclinar un ángulo igual a la latitud del lugar.

• La esfera actúa como un lente y la imagen focalizada se mueve a lo largo de una banda de papel especialmente preparada con escala de tiempo.

• La quemadura de la banda ocurre cuando la irradiación solar directa supera el límite variable de 120 a 210 W/m2.

Energía solar en el Perú

Atlas de Energía Solar del Perú (SENAMHI, 2003)

Promedio anual de energía solar incidente diaria

• Zona de mayor potencial: Arequipa, Moquegua y Tacna (6,0 a 6,5 kWh/m2)

• Zona alta disponibilidad: Piura, Tumbes y Zona sierra por encima 2500 msnm (5,5 a 6,0 kWh/m2)

• Zona de menor energía solar: Loreto, Ucayali y Madre de Dios (4,5 a 5,0 kWh/m2)

Atlas de Energía Solar del Perú (SENAMHI, 2003)Información meteorológica y

cartográfica

• Red de medición de irradiación solar• 10 estaciones con

registros piranométricos.• 5 estaciones con

registros actinográficos.

Estaciones de irradiación solar

Atlas de Energía Solar del Perú (SENAMHI, 2003)Información meteorológica y

cartográfica

• Red de estaciones meteorológicas• 197 estaciones

meteorológicas.• Periodo para

cuantificación y tabulación: 1975 - 1990.

• Sistema de información geográfica• 500 cartas nacionales del

IGN, escala 1 : 100 000.Distribución de estaciones en la

región Tacna

Atlas de Energía Solar del Perú (SENAMHI, 2003)

Procesamiento y validación de la información

• Recopilación, digitación y control de calidad de los datos

• Modelo digital de elevación

Modelos de estimación de la irradiación solar

• Modelo Angström-Prescott. Basado en las horas de sol relativas.

• Modelo Bristow Campbell. En función de la diferencia de temperatura máxima y mínima de un día.

• Modelos de interpolación.

Energía solar incidente diaria en la región Tacna

Energía solar en el mundo

Irradiancia solar global media

Velocidad de viento global media a 80m

Atlas mundial de energía solar y eólica (IRENA)• Agencia internacional

para la Energía Renovable.

• Mapas de alta calidad de los recursos de institutos técnicos.

• Categorías: Irradiancia directa normal, irradiancia global horizontal, viento, elevación, etc.

Formas de aprovechamiento de la radiación solar

docupaf@gmail.comRPM: #956572607

Daniel Ocupa Florián

Muchas gracias por su atención