3 Energía Solar II-2013

Energía Solar

Energías Alternativas, Facultad de Ingeniería - Universidad de America

Se irradia al espacio enforma de partículas dealta energía y deradiaciónelectromagnética esaproximadamente de5.6 x 10³⁵ GeV.

La Tierra recibe en elexterior de su atmósferaun total de 1.73 x 10 ¹⁴kW, o sea 1.353 kW/m²(constante solar, ±3 %).

1. El sol


El Sol convierte cada segundo 564millones de toneladas de hidrógeno en560 millones de toneladas de helio,cuatro millones de toneladas demateria se transforman en energíasolar.

1.1 Radiación solar


1. E.S. reflejada por la atmósferahacia el espacio exterior, (30%),0.52 x 10¹⁴ kW.2. E.S. que se utiliza en calentarla atmósfera, (47%), 0,80 x 10¹⁴kW.3. E.S. que se utiliza en laevaporación de los océanos,(23%), 0.40 x 10¹⁴ kW4. E.S. que se utiliza en generarperturbaciones atmosféricas,como el viento, 0.0037 x 10¹⁴ kW5. E.S. utilizada en la fotosíntesis,0,0004 x 10¹⁴ kW.

1.2 Movimiento de la tierra


La órbita terrestre estáinclinada con respecto al planodel Ecuador un ángulo de23°45' y ello hace que sobre unpunto determinado de la Tierralos rayos del Sol caigan unasveces más perpendicularmenteque en otros y, por lo tanto, quela radiación incidente sobre lamisma sea diferente.La Tierra tiene un movimiento de

rotación alrededor de su eje en el queemplea 24 horas. Debido a la inclinacióndel eje de rotación y del movimientoorbital de la Tierra, la duración del día yde la noche varían según la latitud λ dellugar.

2. Componentes de la radiación solar

Radiación directa: recibidadesde el sol directamente.

Radiación difusa: Es la quesufre cambios en su direcciónprincipalmente debido a lareflexión y difusión en laatmosfera.

Radiación de albedo: Es laradiación directa y difusa quese recibe por reflexión en elsuelo u otras superficiespróximas.

Rad

iaci

ón

glo

bal


2.1 Definición de parámetros


Ángulo cenital solar ( θs ): ángulo que forma la radiación directadel Sol y la vertical del lugar, en un punto cualquiera de la Tierra.Este ángulo varía continuamente a lo largo del día y dependetambién de la latitud del lugar y de la declinación.

Ángulo acimutal del sol ( βs ): ángulo que forma la componentehorizontal de la radiación solar directa, con la dirección Norte-Sur,en el hemisferio norte. Se mide sobre el plano horizontal que pasepor el lugar.

Declinación ( δ ): es la posición angular del Sol al mediodía solar,respecto al plano del Ecuador terrestre; el valor de la declinaciónvaríe entre ±23°45´ a lo largo del año. La declinación al Norte delEcuador se considera positiva.

2.1 Definición de parámetros


Latitud ( λ ): es su desplazamientoangular por encima o por debajo delEcuador, medido desde el centro de laTierra. Se considera positiva al N delEcuador.

Longitud ( L ): ángulo que forma elsemiplano que pasa por los polos en unlugar de la superficie de la Tierra y elsemiplano que pasa por Greenwich.

2.2 Componentes de la radiación solar: radiación directa.


2.3 Componentes de la radiación solar: radiación difusa.


KLMN = KLMN (P) + KRSTULV = KLMN (P)1 + cos WX

2+ (KY + KLMN)P

1 − cos WX

2 [

KLMN (P) = \ ]VT^U_V

2.4 Componentes de la radiación solar: radiación total.


K`(M) = KY (M) + KLMN (P) + KRSTULV =

KY (P) ab + KLMN P cdefg hi

j+ (KY(M)+ KLMN(P))

ckefg hi

j[

La radiación total sobre una superficie inclinada que incluye el albedo es:

El factor de eficacia de energía solar en la superficie inclinada respecto a la horizontal es:

aUNMlRlMR =mn (o)

mp (o) ab +

mqrs (o)

mp (o) cdefg hi

j+

ckefg hi

j[

2.5 Variación de la radiación solar

La posición del sol varia diariamente desde elamanecer hasta el ocaso. Se debe variar lainclinación de los equipos de captación paraobtener una orientación perpendicular al sol.

Para aprovechar al máximo la radiación solar, laorientación se hace hacia al sur en el hemisferionorte y hacia el norte en el hemisferio sur.Siempre mirando hacia el ecuador.


2.6 Equipos de medición de radiación solar


HeliógrafosHeliógrafosHeliógrafosHeliógrafos: sirven para medir la duración de la luzsolar, intervalo de tiempo durante el cual se ve eldisco solar, intensidad de la radiación directa debeser superior a 120 W/m². (Campbell-Stokes, Denis-Jordan).

PirheliómetrosPirheliómetrosPirheliómetrosPirheliómetros: sirven para medir la radiación solardirecta, permite deducir la intensidad de laradiación directa a partir de lecturas termométricassucesivas, abriendo y cerrando alternativamente laentrada del dispositivo. (Disco de plata de Abbot).

2.6 Equipos de medición de radiación solar


PiranómetrosPiranómetrosPiranómetrosPiranómetros: sirven para medir la radiaciónglobal, directa y difusa. Los más usuales sebasan en la detección de la diferencia detemperaturas entre una superficie negra yuna superficie blanca mediante termopilas océlulas fotoeléctricas, que deben estarprotegidas del viento y compensadas paracambios ambientales, mediante una doblesemiesfera de vidrio para suprimir losfenómenos de convección. Mediante un nivelse consigue la horizontalidad del aparato.(Kipp and Zoen).

2.6 Mediciones piranometricas


Día soleado septiembre, con pasos de nubes (España).

Mediciones anuales (España).

2.7. Factores incidentes en la radiación solar

Condiciones metereológicas:

Inclinación de la superficie con el plano horizontal

Locación Geográfica

Tiempo del día

Tiempo del año

Mov

imie

nto

sol

ar


3. Espectro electromagnético


La radiación térmica es energía electromagnética que espropagada a través del espacio a la velocidad de la luz. Laradiación emitida es usualmente distribuida sobre un ampliorango de longitudes de onda.

Las longitudes de onda de interés en la energía solar y susaplicaciones están en el rango de ultravioleta y en el infrarrojocercano (0.3 – 25 μm).

3.1. Energía contenida

La radiación emitida por el sol se compone de un conjunto departículas llamadas fotones que viajan en ondas trasversales a lavelocidad de la luz.

~ =Pl

�� =

l

�~ = ��

� = Constante de Plank (6.6 x 10³⁴ Js)� = Velocidad de la luz (3 x 10⁸ m/s)� = Longitud de onda� = Frecuencia de radiación


3.2 tipos de radiación, longitudes de onda y frecuencias


4. Formas de aprovechamiento

AprovechamientoAprovechamientoAprovechamientoAprovechamiento pasivopasivopasivopasivo:::: no requiere ningún dispositivopara captarla.

• Arquitectura solar pasiva o bioclimatica parasistemas de calefacción o iluminación solar.

• Deshidratación de productos agrícolas.

AprovechamientoAprovechamientoAprovechamientoAprovechamiento activoactivoactivoactivo:::: se basan en la captación de laradiación solar por medio de elementos denominadocolector o celdas solares.

Uso

de

ener

gía

sola

rU

so d

e en

ergí

a so

lar

Uso

de

ener

gía

sola

rU

so d

e en

ergí

a so

lar


4.1. Aprovechamiento activo

EnergíaEnergíaEnergíaEnergía solarsolarsolarsolar térmicatérmicatérmicatérmica:::: se basa en la obtención de calorpara su posterior uso.

• Producción de agua caliente• Deshidratación de productos agrícolas.• Climatización de recintos• Producción de frio• Desalinización de agua

EnergíaEnergíaEnergíaEnergía solarsolarsolarsolar fotovoltaicafotovoltaicafotovoltaicafotovoltaica:::: se basa en la obtención deenergía eléctrica para su posterior uso.U

so d

e en

ergí

a so

lar

Uso

de

ener

gía

sola

rU

so d

e en

ergí

a so

lar

Uso

de

ener

gía

sola

r


4.1.1. Energía solar térmica

La energía solar térmicaconsiste en el

aprovechamiento de la

energía solar mediante el

uso de colectores opaneles solares térmicos.

Un sistema solar térmico es el conjunto de componentes

mecánicos, eléctricos y electrónicos que permite captar la energía

solar disponible y transformarla en calor de forma que se puedautilizar en diferentes necesidades.


4.1.1.1 Tecnología térmica

TecnologíaTecnologíaTecnologíaTecnología dededede bajabajabajabaja temperaturatemperaturatemperaturatemperatura: sistemas de energía solar en los que elfluido calentado no alcanza el punto de ebullición (100 °C). Estasinstalaciones se caracterizan por emplear como elemento receptor deenergía un colector o panel de placa plana o de vacío.

TecnologíaTecnologíaTecnologíaTecnología dededede mediamediamediamedia:::: Estos sistemas se utilizan para generar vapor a altastemperaturas para procesos industriales, para producir energía eléctrica,para desalar agua de mar o para la producción de frio. El rango detemperatura de operación es entré 250 – 400 °C. Estas instalaciones secaracterizan por usar colectores cilindro - parabólicos.

TecnologíaTecnologíaTecnologíaTecnología dededede altaaltaaltaalta temperaturatemperaturatemperaturatemperatura: Corresponde a instalaciones industrialesdonde la generación de vapor esta destinada a la producción de energíaeléctrica. Centrales solares con temperatura mayor a 600 °C


4.1.1.2 Tipos de equipos térmicos

ColectoresColectoresColectoresColectores solaressolaressolaressolares sinsinsinsin concentraciónconcentraciónconcentraciónconcentración: Estos colectores secaracterizan por no poseer métodos de concentración de energíasolar, por lo que la relación entre la superficie del colector y lasuperficie de absorción es prácticamente la unidad.

ColectoresColectoresColectoresColectores SolaresSolaresSolaresSolares dededede ConcentraciónConcentraciónConcentraciónConcentración: Usan sistemas especialescon el fin de aumentar la intensidad de la radiación sobre lasuperficie absorbente y de este modo conseguir altastemperaturas en el fluido caloportador. La principalcomplicación que presentan es la necesidad de un sistema deseguimiento para conseguir que el colector estépermanentemente orientado en dirección al Sol.


3. Receptor central o torre solar

4. Discoparabólico

2. Cilindrosparabólicos

4.1.1.3 Equipos de aprovechamiento

1. ColectorPlaca plana


Sist

emas

sol

ares

térm

icos

Sist

emas

sol

ares

térm

icos

Sist

emas

sol

ares

térm

icos

Sist

emas

sol

ares

térm

icos

Baja temperatura

Alta temperatura

Plano (Protegido, No protegido)

Tubos de vacío

Cilindro parabólico

Receptor central

Discos parabólicos

Esférico

Mediatemperatura

4.1.1.4 Clasificación de equipos térmicos


MovimientoMovimientoMovimientoMovimiento TipoTipoTipoTipo AbsorbedorAbsorbedorAbsorbedorAbsorbedorRelación de Relación de Relación de Relación de

concentraciónconcentraciónconcentraciónconcentraciónRango de Rango de Rango de Rango de

temperatura temperatura temperatura temperatura ºCºCºCºC

EstacionarioColector

planoPlano 1 30 - 80

Tubos de vacío

Plano 1 50 - 200

Un ejeCilindro

parabólicoTubular 15 – 50 60 - 400

Dos ejesDisco

parabólicoPunto 600 - 2000 100 - 1500

Torre central

Punto 300 - 1500 150 - 2000

4.1.1.4 Clasificación de equipos térmicos


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