CAPITULO I

I.1 INTRODUCCION.

El hombre siempre ha tenido necesidad de proveerse de fuentes de energa, y sta,

en la mayora de los casos ha provenido del sol. El carbn, petrleo y gas natural que el

hombre utiliza como fuentes de energa, provienen de plantas que necesitaron del sol para

realizar sus funciones vitales.

Uno de los principales problemas que debe enfrentar el mundo actual es el

inminente agotamiento de las fuentes primordiales de energa no renovable, adems del

creciente aumento de contaminantes generados por el uso de dichas fuentes. El trabajo

cientfico y tecnolgico encaminado a sustituir el petrleo por fuentes renovables ha puesto

sus esfuerzos en reas alternas, como la energa atmica, fuerzas naturales (viento, mareas)

y la energa solar.

Las ventajas que tiene la energa solar con respecto a otras fuentes de energa son

numerosas. El sol es una fuente prcticamente inagotable de luz y calor, y la capacidad para

aprovecharla depende en gran manera de salvar obstculos econmicos, polticos y

sociales. El campo de accin de la tecnologa solar es bastante amplio y su desarrollo an

est en sus inicios, por lo que resta todava un largo camino para alcanzar el mximo

aprovechamiento. Es posible obtener electricidad a partir de la luz solar y las propiedades

de algunos compuestos, para cubrir las necesidades en una amplia gama de aplicaciones, lo

mismo para operar equipo porttil hasta lo suficiente para satisfacer los requerimientos de

un hogar o de un pequeo asentamiento humano. Asimismo es posible desarrollar equipo

para concentrar la energa solar y producir vapor, el cual har funcionar generadores

elctricos.

Con la ayuda de concentradores es posible obtener grandes cantidades de calor til

para diferentes actividades, desde cocinar alimentos hasta la fundicin de metales. La

energa calorfica proveniente del sol es utilizada desde mucho tiempo atrs para

acondicionar la temperatura de las viviendas y actualmente se utiliza para calentar agua

para uso domstico, fluidos trmicos en diferentes procesos y hasta para la operacin de

bombas trmicas y refrigeradores con ciclos de absorcin. En la actualidad se han

desarrollado una gran cantidad de equipos de la ms variada tecnologa, con el fin de aliviar

la creciente necesidad de agua en algunas regiones. Los destiladores y los detoxificadores

solares son algunos ejemplos de los esfuerzos que se hacen para cubrir dichos

requerimientos.

La importancia de evaluar la cantidad y distribucin de la radiacin solar en el

mundo y especficamente en nuestro pas, reviste cada vez mayor importancia a medida que

la ciencia y la tecnologa de la conversin de esta energa logra avances significativos. En

muchos pases la medicin de la radiacin solar es otro parmetro climatolgico ms, el

cual es registrado desde principios de este siglo.

La Tabla 1.1 nos muestra el tipo de informacin, en cuanto a radiacin solar, que se

necesita para desarrollar el diseo de algunos equipos solares. Debido a que no todos los

equipos aprovechan toda la radiacin solar que incide sobre sus colectores, se hace

indispensable medir especficamente los componentes solares. Asimismo, los equipos que

convierten la radiacin solar a calor til deben ser diseados para alcanzar la temperatura

requerida por el proceso al que sern destinados (ver Tabla 1.2.). Por ejemplo, si nuestro

objetivo es producir agua destilada, entonces debemos conocer que tipo de colector ser

ms apto para nuestra aplicacin.

Tabla 1.1. Componentes de la radiacin solar que requiere el diseo de algunos equipos.

Equipo Tipo de informacin

Colectores trmicos para calentamiento de agua

Radiacin global

Horno solar Radiacin directa Destilador solar Radiacin directa

Radiacin difusa Celda fotovoltica Radiacin global

Radiacin directa Radiacin difusa

Heliodiseo Radiacin directa Radiacin difusa

Refrigerador solar Radiacin directa Radiacin global

Mxico, y en especial Sonora, se encuentra en una regin privilegiada en cuanto a

cantidad de radiacin solar recibida, por lo que convierte a sta en un recurso natural de

gran potencial y de importancia energtica para la regin. Por otro lado cabe sealar que

Sonora carece de combustibles fsiles y depende casi completamente de la importacin de

stos para cubrir sus requerimientos energticos. En este punto es importante conocer la

magnitud del recurso solar y definir hasta que nivel es factible desarrollar tecnologa de

aprovechamiento para esta fuente.

Desafortunadamente en Mxico no existe una sistematizacin de la informacin en

este sentido y en pocos lugares (en el D.F.) se cuenta con un registro constante del mismo,

por lo que para cubrir esta deficiencia han sido reportados algunos estudios que calculan

indirectamente la radiacin solar utilizando parmetros medidos en las estaciones

meteorolgicas nacionales, como humedad, das nublados y horas de insolacin. Sin

embargo, ante el aumento de dispositivos de aprovechamiento de radiacin solar mas

avanzados (como las fotoceldas y los concentradores pticos), se requieren datos mas

precisos y confiables, con mayor resolucin y calidad en la informacin.

Tabla 1.2. Temperaturas tpicas de trabajo para algunos Sistemas Trmicos Solares.

Temperatura. C 38 94 150 205 260 F (100) (200) (300) (400) (500) Aplicacin. - Cultivo pisccola - Almina por el proceso Bayer - Baos calientes - Secado de tierras diatomceas - Cultivo de hongos - Digestin de pulpa de papel - Secado de alimentos (lmite inferior) - Vapor de proceso - Secado de alimentos (general) - Produccin de - Agua destilada electricidad - Evaporacin en la refinacin de azcar Sensores. Colectores.

El diseo bioclimtico de viviendas es una rama de la arquitectura que requiere de

conocer datos precisos sobre radiacin solar y otras condiciones meteorolgicas, con el fin

de desarrollar construcciones eficientes desde el punto de vista de aprovechamiento de

energa. Ya es conocido que en regiones desrticas el consumo de electricidad es por

mucho superior a otras regiones con diferentes climas y que este consumo se incrementa

notablemente durante el verano, como consecuencia del uso de refrigeraciones y otros

acondicionadores de clima. Por esto es importante proporcionar a los investigadores en este

campo datos climatolgicos como herramientas que se ajusten a sus necesidades. [5,12]

Las medicin de las condiciones climatolgicas se realizan como una respuesta a

una necesidad, y la informacin obtenida puede no cubrir a la totalidad de las necesidades.

Para este fin se ha buscado regular y estandarizar la forma en que se miden los fenmenos

atmosfricos, los tipos de sensores y la forma en que se les dar tratamiento. La exactitud

de las mediciones tambin se ve regulada por instituciones especializadas, las cuales tienen

la forma de calibrar los instrumentos de medicin para asegurar que los datos que generen

sean vlidos.

I.2 Antecedentes.

La estacin solarimtrica y meteorolgica de la Universidad de Sonora surgi como

un proyecto del Grupo de Energa, llamado ESTACION SOLARIMETRICA DE LA

UNIVERSIDAD DE SONORA, cuyo propsito sera cubrir de manera eficiente las

necesidades de datos solarimtricos, los cuales no existan de manera consistente y

constante para esta regin en particular. El proyecto fue financiado con el apoyo de

FOMES 1992. El equipo que se adquiri se conoce como Rotating Shadowband

Radiometer, y fue desarrollado por Michalsky y Harrison, de la Universidad de Albany, en

Nueva York [11]. Este sistema posee un sensor fotovoltaico de radiacin solar (marca

LiCOR) y un sistema automtico de sombreado del sensor por medio de una banda

metlica accionada por un motor de pulsos; adems fueron incorporados los sensores para

la medicin de temperatura, humedad relativa y velocidad y direccin de viento, todo esto

controlado y manejado por un equipo adquisidor automtico de datos y su correspondiente

soporte de energa elctrica. [17,18,19].

El concepto de un sistema integrado como ste es relativamente nuevo, ya que

anteriormente se requeran varios sensores de radiacin: un piranmetro, un pirhelimetro y

otro piranmetro acoplado a una banda sombreadora fija, adems de los sensores

meteorolgicos y el adquisidor automtico de datos [19]. En el captulo V, seccin 4 se

describe con mas amplitud esta caracterstica del radimetro de banda rotatoria.

La estacin solarimtrica se recibi a principios de 1993 y se empezaron a registrar

datos continuos desde septiembre de 1993. Los parmetros que registrar la estacin

solarimtrica de la Unison sern: radiacin solar directa normal, radiacin solar difusa

horizontal, radiacin solar global horizontal, temperatura ambiente, humedad relativa

ambiente, velocidad de viento y direccin de viento.

Los sensores que estn instalados en el paquete son: un piranmetro LiCOR200S,

una banda sombreadora rotatoria, un sensor de temperatura y humedad relativa marca

Campbell (HMP35C), un anemmetro y una veleta marca Campbell (03101-5, 03301-5

respecti-vamente). El sistema adquisidor de datos que se utiliza fue desarrollado por los

fabricantes del sistema e incorpora el control automtico de la banda de sombra y la

promediacin, almacenamiento de datos y la operacin del sistema de soporte energtico.

I.3 Objetivos.

Los objetivos del presente trabajo son:

- Describir tcnicamente la operacin del sistema automatizado de adquisicin de datos

para la evaluacin del recurso solar y otras variables climatolgicas en Hermosillo, Sonora.

- Cubrir de una manera prctica las necesidades de informacin que requiere la

investigacin solarimtrica, bajo los siguientes puntos:

Disear, implementar y evaluar un sistema de manejo de la informacin generada por la estacin solar.

Implementar una metodologa de adquisicin y manejo de datos solarimtricos y climatolgicos provenientes de la estacin solarimtrica.

Crear un banco de datos accesible para todas las reas de investigacin que lo requieran.

- Establecer un procedimiento para la operacin y mantenimiento de la estacin

solarimtrica de la Universidad de Sonora.

I.4 Metodologa.

Para establecer un sistema confiable de informacin climatolgica, fue necesario

investigar acerca de las normas internacionales y los mtodos de reporte nacionales

vigentes, con el fin de mantener una congruencia con la informacin histrica existente y

realizar un reporte entendible por los usuarios potenciales.

Se procur conocer la exactitud y la resolucin recomendable para los datos que se

estn adquiriendo y si el equipo que se tiene cumple con estos requisitos.

Se desarroll una investigacin bibliogrfica con el fin de entender el

comportamiento de las variables climatolgicas a medir y los principios fsicos utilizados

para medir dichas variables. En este trabajo se describen brevemente algunos puntos que

explican de manera general las variables medidas por la estacin solarimtrica, as como

algunos de los instrumentos de medicin que han sido utilizados ms comnmente en el

estudio de cada una de las variables a travs del tiempo.

El siguiente paso en el desarrollo de este trabajo fue de comprender la forma en que

opera el sistema de adquisicin de datos meteorolgicos y solarimtricos. Para esto se hace

un estudio de los sensores y equipos que conforman la estacin, dando mayor atencin al

radimetro de banda rotatoria, ya que este es el sensor ms importante en cuanto a la

informacin que proporciona y al concepto nuevo que representa. En base al manual

provisto por los fabricantes [11], se hace un anlisis fsico del equipo, su configuracin y

sus caractersticas. Se describe el software utilizado para la comunicacin del equipo con

una PC y los protocolos y comandos que controlan la operacin de la estacin.

Una vez que se han comprendido las bases del funcionamiento y es posible operar la

estacin, es necesario desarrollar un sistema para manejar la informacin proveniente de la

estacin solarimtrica. Este procedimiento permite trabajar con los datos de la estacin,

hacindolos comprensibles a los requerimientos y ofrece una forma segura de organizarlos

y almacenarlos para constituir una base de datos consistente. Este proceso requiri de

desarrollar una serie de programas informticos que agilicen estas operaciones y provean

de exactitud y confiabilidad. Se dise un formato de reporte para mostrar la informacin

de la estacin solarimtrica de una manera sencilla y prctica.

El captulo II de este trabajo tratar de describir las normas internacionales que

rigen el manejo de informacin climatolgica y explicar las bases de los adquisidores

automticos de datos. En el captulo III se define qu es la radiacin solar y sus

componentes (directa y difusa); se darn algunas definiciones para la medicin de radiacin

solar y se describirn los instrumentos mas importantes para la medicin de dichas

componentes. En el captulo IV se describirn las otras variables (temperatura, humedad,

velocidad y direccin de viento), los procesos naturales involucrados y los instrumentos

comnmente utilizados en su medicin.

El captulo V har una descripcin mas completa del equipo que constituye la

estacin solarimtrica, los sensores y su constitucin, los procedimientos de operacin y las

instrucciones especficas para operar la estacin. El captulo VI detallar el procedimiento

de manejo de los datos generados por la estacin solarimtrica y la elaboracin de un

reporte para mostrar la informacin ya disponible.