Determinacion de Radiacion Global (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTAFACULTAD DE INGENIERÍA RADIACIÓN SOLAR GLOBAL ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE ENERGÍA

I. OBJETIVOS

Determinar experimentalmente la radiación solar global por unidad de área. Familiarizarse con duraderas mediciones para la Ingeniería Solar. Obtener resultados reales de la variación de la temperatura por unidad de

tiempo.

II. INTRODUCCIÓN

El aprovechamiento de la energía solar está condicionado a la intensidad de radiación solar incidente sobre un área determinada, por lo que es necesario contar con registros de radiación confiables que puedan emplearse en el diseño de equipos que aprovechen la energía solar. Actualmente se disponen de mapas de radiación solar, en donde normalmente se presentan los valores promedio de radiación solar diaria, mensual o anual. El uso de estos mapas de radiación es importante para determinar las zonas geográficas que tienen un alto potencial para su aprovechamiento y para el prediseño de los equipos que utilizan como fuente la energía solar.

Actualmente, las tablas o los mapas de radiación solar se elaboran a partir de mediciones vía satélite o a partir de los datos obtenidos en las ciudades y grandes centros poblados, y raras veces, se tienen en cuenta los niveles de radiación solar a nivel de las zonas rurales. No obstante, estos datos tienen cierta incertidumbre propia de la tecnología empleada, a lo que se suma, que la mayoría de datos están referidos a grandes extensiones de territorio, por lo que su uso se hace limitado y poco práctico.

Esta limitación puede conducir al sobre o subdimensionamiento de los equipos de aprovechamiento de la radiación solar. Esta falla en los diseños puede tener graves consecuencias en lo que respecta a costos de inversión, operación o mantenimiento, así como la sostenibilidad de los sistemas cuando ellos no cumplen con el fin para el cual fueron instalados.

En el mercado existen diferentes modelos de equipos para determinar la radiación solar y que varían de costo desde algunos cientos hasta miles de dólares. A fin de contribuir a realizar una buena estimación de la radiación solar en un área de interés de una manera sencilla y económica, es que el CEPIS/OPS ha desarrollado un solarímetro casero.

De esta manera, a través del solarímetro casero es posible estimar datos sobre radiación solar para una zona en particular. En este documento se trata sobre este aspecto buscando que la metodología a aplicar sea de fácil desempeño y con el objetivo que el diseño de los equipos o sistemas solares en zonas rurales sea realizado eficientemente.

Ingeniería Solar I - Laboratorio


III. MARCO TEÓRICO

La tasa a la cual la radiación es recibida por una superficie por unidad de área se denomina irradiancia, la misma que se expresa en unidades de potencia por unidad de área, W/m2.La cantidad de radiación recibida por una superficie por unidad de área durante un determinado período se denomina irradiación. Se expresa en unidades de energía por unidad de área, Wh/m2. La radiación solar en el suelo a veces se denomina insolación.La medición de la energía solar se realiza por medio de solarímetros. Los solarímetros están basados en el principio de absorción de la radiación solar por un cuerpo negro y en la conversión de esta radiación a otra forma de energía, la misma que es proporcional a la intensidad de la radiación.Teóricamente, un cuerpo negro capta toda la radiación a la que está expuesta. Sin embargo, en la práctica sólo se cuentan con cuerpos opacos los cuales solamente son capaces de captar una parte de la radiación total. No obstante, a partir de consideraciones termodinámicas es posible emplear estos cuerpos opacos para estimar la radiación solar instantánea sobre una región determinada. De otra parte, la energía aprovechable de la radiación solar proviene de la región del espectro visible e infrarrojo cercano, que son las ondas electromagnéticas que producen el incremento de la energía interna del cuerpo.En las consideraciones termodinámicas se tienen en cuenta las pérdidas de energía por reflexión de los materiales del medidor y por transmisión del calor de estos mismos materiales.

El instrumento más empleado en el registro de la radiación total es el piranómetro. Un segundo instrumento es el piroheliómetro, el cual mide la radiación directa normal que proviene del sol. Precisamente, tomando como base los criterios anteriores se construyó un piranómetro, al que se ha denominado solarímetro casero.

III.1. Irradiancia Solar

La irradiancia es la utilizada para describir el valor de la potencia luminosa (energía/unidad de tiempo) incidente en un determinado instante por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética. Sus unidades de medida son:

III.2. Irradiación Solar



La irradiación también conocida como insolación se refiere a la cantidad de energía solar recibida durante un determinado periodo de tiempo.Sus unidades de medida son:

Por su diferente comportamiento, la irradiación la podemos separar en tres componentes: la directa, la difusa y la reflejada.

Directa: Es la que se recibe directamente desde el sol en línea recta, sin que se desvíe en su paso por la atmósfera. Es la mayor y las más importante en las aplicaciones fotovoltaicas.

Difusa: Es la que se recibe del sol después de ser desviada por dispersión atmosférica. Es radiación difusa la que se recibe a través de las nubes, así como la que proviene del cielo azul. De no haber radiación difusa, el cielo se vería negro aún de día, como sucede por ejemplo en la luna.

Reflejada: Es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies próximas.

La irradiación Global es la radiación total incidente sobre una superficie.

III.3. CAUSAS DE LAS VARIACIONES DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA TIERRA

La Tierra en su desplazamiento por la órbita solar realiza dos movimientos principales, el de rotación sobre su propio eje y el de traslación alrededor del Sol, que determinan la cantidad de luz y calor que llega a cada lugar de la superficie terrestre a lo largo del día y del año.

III.3.1. Distancia Tierra-Sol

La Tierra gira alrededor del Sol en una órbita elíptica, con el Sol ubicado en uno de sus focos, la cantidad de radiación solar que llega a la Tierra es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol. Por lo cual un valor preciso de la distancia Tierra-Sol r0 se denomina “Unidad astronómica”:



Es conveniente expresar la distancia Tierra-Sol en un modelo matemático simple. Para muchas aplicaciones tanto tecnológicas como en ingeniería se puede aplicar la expresión de Duffie y Beckman desarrollada en1980.

Donde:r = Distancia a conocer Tierra-Sol. r0 = Distancia media Tierra-Sol.r2= Reciproco del cuadrado del radio vector de la Tierra (factor de corrección de la distanciaTierra-Sol).

III.3.2. Declinación solar

El plano en el cual la tierra gira en torno al Sol se denomina plano eclíptico. La Tierra gira sobre sí misma alrededor de un eje denominado eje polar, El cual se encuentra inclinado aproximadamente 23.5° de la normal del plano denominado “plano eclíptico”. La rotación de la Tierra alrededor de este eje ocasiona los cambios diurnos en la radiación solar que incide en el planeta Tierra y la posición de este eje relativo al Sol causa los cambios estacionales en la radiación solar. El ángulo entre el eje polar y la normal al plano elíptico permanece sin cambios. Aunque, el ángulo que forma el plano ecuatorial y la línea que une los centros del Sol y la Tierra cambia cada día, de hecho cambia en cada instante. Este ángulo es llamado “Declinación Solar” y es representado por la letra griega delta. La declinación es cero en los equinoccios de Primavera y de Otoño (las noches y los días duran lo mismo). En el solsticio de Verano tiene un ángulo de aproximadamente+23.5° y en el solsticio de Invierno un ángulo de -23.5°.



Para la determinación del ángulo de declinación solar puede hacerse mediante la aplicación de modelos matemáticos aproximados, que dan su valor con diversos grados de precisión. Una de las expresiones matemáticas más importantes y la que citaremos en esta investigación es la fórmula de Perrin Brichambaut (1975), proporcionando el ángulo de la declinación solar en grados.

III.3.3. Movimiento de Rotación

Cada 24 horas, la Tierra da una vuelta completa alrededor de un eje imaginario que pasa por los polos. Gira en dirección Oeste-Este, en sentido contrario al de las agujas del reloj. A este movimiento le llamamos Movimiento de Rotación. Este movimiento es causante de la sucesión de días y noches, La mitad del globo terrestre quedará iluminado, en dicha mitad es de día mientras que en el lado oscuro es de noche. En su movimiento de rotación, los distintos continentes pasan del día a la noche y de la noche al día.

III.3.4. Movimiento de Traslación

La traslación de la Tierra es el movimiento de este planeta alrededor del Sol. La Tierra en su viaje alrededor del Sol tarda en dar una vuelta completa 365 días y 6 horas, aproximadamente. Este denominado movimiento de traslación corresponde con el año solar.

El hecho de que la órbita terrestre sea elíptica hace variar la distancia entre la Tierra y el Sol en el transcurso de un año. A primeros de enero la Tierra alcanza su máxima proximidad al Sol y se dice que pasa por el perihelio. A principios de julio llega a su máxima lejanía y está en afelio. La distancia Tierra-Sol en el perihelio es de 142,700,000 kilómetros y la distancia Tierra-Sol en el afelio es de 151,800,000 kilómetros.



IV. INSTRUMENTOS

Multímetro Digital

Termocupla

Caja de Triplay con Tecnopor forrado con papel carbón negro Agua Brújula



Cronómetro

V. PROCEDIMIENTO

Se inyectó 1.5 litros de agua en la caja de Triplay y se comenzó a medir a partir de las 11:30 AM, controlando el tiempo y tomando datos por cada grado en temperatura que aumentaba, con una temperatura inicial de 15°C del agua.

VI. DATOS

Volumen=1.5litros =0.0015 m3

ÁREA: 0.104152 m2

ρagua=1000kg /m3

Masa del agua= 1.5kg ∅=−9.16 ° τα=0.95

C p=4.186J

g .° C

∆T∆t

=0.96 °C /Seg



VII. RESULTADOS


0 2 4 6 8 10 12 14 16 180

5

10

15

20

25

30

35f(x) = 0.960009751308399 x + 18.2571290351533

TEMPERATURA VS. TIEMPOT (°C)

t (min)

tiempo (min)

Temperatura (°C)

0 150.0195 16

0.03883333 170.05866667 180.08016667 190.10233333 201.08566667 212.08566667 223.88566667 235.38566667 246.58566667 257.74566667 268.71233333 279.91233333 2811.1423333 2912.3723333 3013.4823333 3114.7823333 3216.1823333 33


ECUACIÓN LINEAL DE LA RECTA: T=0.96t+18.257

∆T∆t

=0.96 °C /Seg

VIII. CÁLCULOS

VIII.1. Calculamos la declinación para el día 05 de junio

δ=23.45∗sin( 360 (284+n )365 )

δ=23.45∗sin( 360 (284+156 )365 )

δ=22.51

VIII.2. Calculamos el ángulo horario

ω=cos−1 ¿¿

ω=cos−1 ¿¿

ω=86.17 °

VIII.3. Calculamos el ángulo cenital

cosθ z=sin δ sin∅+cosδ cos∅ cosωcosθ z=−0.060946+0.060920cosθ z=0.99

VIII.4. Calculamos la radiación global

H=m

¿C p∗∆T∆ t

+pérdidas

Aréa∗cosθ z∗ατ

Pérdidas≈0

H=1.5kg∗4.186 J

g∗°C∗0.96 °C

seg+0

0.104152m2∗0.99∗1∗0.95



H=61.53686 KWm2

IX. CONCLUSIONES

La radiación global solar es bastante alta debido a que fue un día completamente despejado y la mayor parte de la radiación medida fue la RADIACIÓN DIRECTA.

Debido a que la caja o solarímetro casero fue colocado de manera perpendicular, pudimos comenzar a tener nociones del aprovechamiento de la radiación para el agua, para futura prácticas.


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