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ENERGÍA SOLARXX Simposio Peruano Energía Solar – Tacna, Noviembre 2013
Daniel Ocupa FloriánCER-UNI
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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
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Introducción
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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Distribución espectral solar
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Relaciones astronómicas Sol-Tierra
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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
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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:
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Declinación solar (𝛿)
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Declinación solar (𝛿)• Ejemplo. Para el día 11 de noviembre por tanto:
•
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Declinación solar (𝛿)
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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°.
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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.
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Posición del sol relativa para superficie horizontal• 𝜔• = ángulo cenit• = declinación• = latitud del lugar• 𝜔 = ángulo horario
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Bóveda celeste
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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.
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Movimiento anual del Sol en la bóveda celeste
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Ecuador celeste y polo sur celeste (hemisferio sur)
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Trayectorio aparente del sol en el cielo (hemisferio norte)
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Posición solar al mediodía
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Duración del día en horas según latitud
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Medición de la radiación solar
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Sensores de radiación
• Sensores calorimétricos• Sensores termomecánicos• Sensores termoeléctricos• Sensores fotoeléctricos
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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.
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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
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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.
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Pirheliómetros
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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.
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Piranógrafo Robitzsch (bimetálico)oActinógrafo
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Medición de la radiación difusa
Piranómetro con una banda de sombra
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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.
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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.
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Energía solar en el Perú
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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)
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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
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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
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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.
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Energía solar incidente diaria en la región Tacna
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Energía solar en el mundo
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Irradiancia solar global media
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Velocidad de viento global media a 80m
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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.
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Formas de aprovechamiento de la radiación solar
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