UNAM

Conceptos Básicos de Energía Solar

EXPOSITOR

Aarón Sánchez Juárez

Centro de Investigación en Energía-UNAMPriv. De Xochicalco s/n, col Centro

Temixco, Mor.Tel (01) 5622 9716

E-mail: asj@mazatl.cie.unam.mx

ENERGÍA SOLAR

CAPTADOR SOLAR ABSORBEDOR

PROCESOS FOTOTÉRMICOS

PROCESO FOTOVOLTAICO

CALOR DE PROCESO

ENERGÍA ELECTRICA

ALTA TEMP.

BAJA TEMP.

GENERADOR DEELECTRICIDAD

INTERCAMBIADOR DE CALOR, TURBINA

CALENTAMIENTO DE AGUADOMESTICO E INDUSTRIAL

OTROS PROCESOS:CLOROFÍLICOS;EVAPORATIVOS

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1.12 x 10 17 watt-hr c/s

RADIACION SOLAR

FLUJO DE 1,353 watts/m 2

TIERRA

Pérdidas del 47% (IR)debidas a absorción y reemisión

Pérdidas del 30% (UV,VIS)debido a reflexiones

0.21% usado en vientos, mareas, olas,...

23% usado en evaporacióny lluvias

0.023% usado en procesos de fotosíntesis

YA QUE EL SOL ES UNA FUENTE INAGOTABLE DE ENERGÍA, ¿ DE QUE MANERA PODEMOS HACER USO DE ELLA?

UNAM

EL RECURSO SOLAR : CONCEPTOS

IRRADIANCIA: un metro cuadrado de área. UNIDADES: Watt / metro cuadradoINSOLACIÓN: UNIDADES: Si la entonces la Watt-hora/metro cuadradoCONSTANTE SOLAR ( Io

Luz Solar: Es una forma de Energía que esta formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas con longitudes de onda que abarcan el Ultravioleta, el Visible y el Infrarojo.

TÉRMINOS Y UNIDADES DE MEDICIÓN

Valor instantáneo de la potencia luminosa recibida en un captador de

( W/m2 )Valor acumulado de la Irradiancia en un tiempo dado.

unidad de medición para el tiempo es la “hora” ( h ) , INSOLACIÓN se mide en:

( W-h/m2 ) Io) : Valor de la Irradiancia fuera de la atmósfera.

= 1,353 W/m2

OTRAS UNIDADES 1,000 W-h/m2 = Langley/ 85.9 = 316.96 BTU / ft2 = 3.6 MJ /m2

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RADIACION GLOBAL

YA QUE SE TIENEN PROCESOS DE ABSORCIÓN, REFLEXIÓN YDISPERSIÓN DE LA LUZ SOLAR AL ATRAVESAR LA ATMÓSFERA,LA RADIACIÓN SOLAR SE ATENÚA EN ELLA.

UN CAPTADOR SOLAR PUEDE RECIBIR LA RADIACIÓN SOLARDE DOS FORMAS:

DIRECTA: Es la que recibe el captador cuando su superficie es perpendicular a los rayos solares.

DIFUSA: Es la que el captador “ve” como si vieniera de la bóveda celeste. Esta compuesta por la reflejada y la refractada.

RADIACIÓN GLOBAL = DIRECTA + DIFUSA

En un día despejado la radiación directa es la máxima componente querecibe un captador.

En un día nublado, la componente máxima corresponde a la difusa.

La máxima radiación que llega a la superficie de la Tierra es de 1, 000 W/m2. Las condiciones son: día muy claro, sin pártículas en el aire, sin absorción molecular, al niveldel mar y con los rayos solares en el zenit del captador.

En un día nublado, la Irradiancia típica es de 100 W/m2.

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UNAMFACTORES QUE AFECTAN LA

RADIACIÓN SOLAR

ATMOSFÉRICOS GEOGRÁFICOS

Nubes

Partículas suspendidas

Contaminación

Rotación diaria

Traslación

Latitud y longitud

Espectro de la radiación solar en donde se muestra el efecto de atenuaciónde la atmósfera terrestre

UNAM

AM0

ZENITAM1

AM(Sec z)

Atmósfera

Superficie Terrestre

Rayos solares

48.19º

60º

70.5º

78.5º

AM5.0

AM3.0

AM2.0

AM1.5

EO

Longitud de la trayectoria de la Luz Solar al atravesar la Masa de Aire de la atmósfera y el concepto de AMX

UNAM

Movimiento de la Tierra alrededor del Sol. La inclinacióndel eje terrestre con respecto al plano de la eclíptica hace queel hemisferio norte se incline hacia el Sol en Verano y se alejede él en Invierno, produciendo las estaciones del año

UNAM

63º

50º

83º

112º

Trayectoria solar aparente en dos épocas del año. En negro se muestra paruna Latitud de 40º; y en rojo, para una Latitud de 16º.

UNAM

TRAYECTORIA SOLAR ANUAL LOCALIDAD: MONTERREY N.L. UNAM

N

S

EO

TRAYECTORIA SOLAR

abc

d

efg

a 21 Jun. 13hr, 17’b 21 Jul/May 13hr, 6’c 21 Ago/Abr 12hr, 37’d 21 Sep/Mar 11hr, 59’e 21 Oct/Feb 11hr, 23’f 21 Nov/Ene 10hr, 54’g 21 Dic 10hr, 43’

Localidad: Mérida, Yuc.Lat.: 20º 59’; NLong.: 89º 38’ 43”; ODecl. Mag.: 2.5º; E

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EQUIPO PARA MEDIR LA EQUIPO PARA MEDIR LA RADIACIÓN SOLARRADIACIÓN SOLAR

Piranómetro: Este equipo tiene la capacidad de medir la radiación total: directa + difusa.El sensor es una termopila que mide la irradiancia en 180º independientemente de la longitud de onda y del ángulo de incidencia.

Celda Solar calibrada: Debido a que la Isc de una celda solar es lineal respecto a la Irradiancia, éstas representan una buena herramienta para medir la radiación solar total.

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EQUIPO PARA MEDIR LA RADIACION SOLAR

Pirheliómetro: Equipo usado para medir la irradiancia directa. Usa un detector que colima la luz solar hacia él a través de un sistema de seguimiento.

UNAM

6 8 10 12 14 16 18-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100VERANO, DÍA DESPEJADO, LATITUD 15ºN

Global Directa Difusa

IRR

AD

IAN

CIA

(W

/m2 )

HORA DEL DÍA

ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADOR HORIZONTAL

UNAM

El concepto de horas-pico como una manera de trabajarla energía recibida en un captador

Horas de Sol Horas de Sol

8:00 12:00 16:00

1,000 W/ m 2

10:00 14:00

0.0 W/ m 2

HORAS-PICO

8 h-p 4 h-

p

6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

IRR

AD

IAN

CIA

(

W/m

2 )

HORA DEL DÍA

6 8 10 12 14 16 180

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

IRR

AD

IAN

CIA

(

W/m

2 )

HORA DEL DÍA

Area bajo la curvaA= 8,000 W-h/m2

Area bajo la curvaA= 4,000 W-h/m2

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Mapa de Insolación Solar Global Mapa de Insolación Solar Global diaria promedio anualdiaria promedio anual

Captador HorizontalCaptador Horizontal

Unidades Horas-PicoUnidades Horas-Pico

UNAM

INCLINACION DELCAPTADORINCLINACION DELCAPTADOR

MÁXIMA CAPTACIÓN: RAYOS PERPENDICULARES AL CAPTADOR.

ES NECESARIO SEGUIDOR SOLAR CON 2 MOVIMIENTOS

SE PUEDEN TENER: ARREGLOS FIJOS Y MÓVILES

CAPTADOR FIJO IMPLICA CRITERIO DE SELECCIÓN PARA ÁNGULO DE INCLINACION QUE GARANTICE MÁXIMA GENERACION.

EN EL HEMISFERIO NORTE EL SOL SE DECLINA MAS TIEMPO HACIA EL SUR, DURANTE TODO EL AÑO;IMPLICANDO CAPTADORES INCLINADOS, RESPECTO A LA HORIZONTAL,

VIENDO HACIA EL SUR.

REGLA DE MANO: CAPTACIÓN ANUAL MÁXIMA, INCLINCACIÓN IGUAL A LA LATITUD DEL LUGAR.

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Mapa Isogónico Mapa Isogónico

12º E 10º E11º E 8º E 6º E 4º E7º E9º E

12º E

10º E

11º E

8º E 6º E7º E9º E 5º E 4º E

5º E

Declinación Magnética

UNAM

ORIENTACION NORTE-SURORIENTACION NORTE-SUR

Recomendaciones:La cara de los módulos deben de estar hacia el SUR (NO MAGÉTICO)La Declinación Magnética es la desviación del Norte Verdadero y el Norte Magnético (detectado por una Brújula).La Declinación se expresa en Grados ESTE u OESTE desde el SUR MAGNÉTICO

Brújula

NORTE magnético

NORTE verdadero

DECLINACIÓN

S

Nm

90º E270º O

180º S

Ejemplo: Declinación Mag. 13º E.El Sur Verdadero está a 13º E del Sur magnético. Si el captador se orienta con una brújula, el Sur verdadero estará a 167º.

167º S verdadero

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ÁNGULO POLAR VARIABLE: -Esta estructura se recomienda para aumentar la captación de radiación directa.

-El captador sigue el recorrido del Sol diariamente girando de Este a Oeste sobre el eje de giro Norte-Sur.

-Presenta algo de simplicidad y su ganancia relativa puede ser hasta del 40% más de energía por día comparada con un captador fijo.

-Desventajas: Alto costo y el bajo rendimiento cuando los días están nublados.

ÁNGULO POLAR Y AZIMUTAL VARIABLE:: -Los captadores se mueven en dos ejes de tal manera que obligan al captador a presentar su superficie siempre perpendicular a los rayos solares, en cualquier hora del día y cualquier época del año.

-La ganancia de captación es grande del orden del 60% más que un captador fijo.

-Desventajas: Alto costo y mayor complejidad del sistema. Mantenimiento frecuente. Bajo rendimiento en días nublados.

CAPTADORES CON SEGUIDORESCAPTADORES CON SEGUIDORES

UNAM

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 130.0

0.5

1.0

1.5

INSOLACIÓN RECIBIDA POR UN CAPTADORLOCALIDAD: MONTERREY N.L.

L-15

L+15

L

INS

OL

AC

IÓN

RE

LA

TIV

A

MES DEL AÑO

ENERGÍA RECIBIDA EN UN CAPTADORCON DIFERENTE INCLINACIÓN UNAM

INSOLACION GLOBAL DIARIA PROMEDIO(HORAS-PICO)

MONTERREY, N.L.LATITUD: 25º45’N; LONGITUD: 100ºW;DECLINACIÓN MAGNETICA 7º 20’E;

ENE FEB MAR ABR MAY JUN JUL AGO SEPT OCT NOV DIC ANUAL

CAPTADOR HORIZONTAL3.2 3.6 4.1 4.3 4.8 5.5 6.1 5.6 5 3.8 3.3 3.0 4.4

INCLINACION = LAT-15ºCAPTADOR FIJOSEGUIDOR POLAR

3.975.3

4.185.57

4.416.04

4.326.09

4.66.58

5.197.26

5.858.04

5.637.67

5.387.38

4.075.57

4.15.47

3.834.4

4.636.35

INCLINACION = LATCAPTADOR FIJO

SEGUIDOR POLAR4.795.98

4.715.98

4.576.1

4.115.8

4.16.04

4.526.61

5.217.43

5.357.4

5.567.51

4.976.5

4.946.2

4.735.84

4.86.49

INCLINACION = LAT+15ºCAPTADOR FIJO

SEGUIDOR POLAR5.286.95

4.936.45

4.425.89

3.634.97

3.364.69

3.64.93

4.275.71

4.726.26

5.47.19

5.26.92

5.447.17

5.36.98

4.636.2

UNAMRS(I)= RS(H)/cos (0.87L)