Fundación Energizar- 2012 - Curso de Energía Solar Fotovoltaica Capítulo I La radiación solar F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación La radiación solar F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La Energía Solar Se origina mediante reacciones nucleares dentro del sol. Se propaga en el espacio como ondas electromagnética (radiación solar). El sol emite energía al espacio a un ritmo de 3,85x10 14 TW. La energía solar interceptada por la tierra es de 178.000 TW, que equivalen a unas 11.850 veces los 15 TW que corresponden al ritmo de consumo energético actual. La radiación solar F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La Energía Solar De los 178.000 TW interceptados por la tierra, un 30% se pierde por reflexión. La radiación absorbida aporta energía a la biósfera hasta transformarse en radiación infrarroja (calor), que termina por ser re emitida al espacio. Esto permite mantener un equilibrio energético y una temperatura media de 15°C en la biósfera, que es compatible con las formas de vida que conocemos. Esta radiación puede convertirse de manera directa en electricidad mediante paneles fotovoltaicos, o de manera indirecta mediante concentradores solares. También puede ser utilizada para calentar agua u otros usos domésticos mediante colectores solares y otras tecnologías. La radiación solar F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Espectro luminoso F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La luz Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas. La radiación emitida por el sol produce un espectro electromagnético llamado espectro solar. La intensidad de la radiación no es igual para todas las frecuencias. La forma del espectro solar, está determinada por la temperatura del sol ~5800K. Las ondas de baja frecuencia del espectro solar (infrarojo) proporcionan calor, las de alta frecuencia (ultravioleta) hacen posible el proceso de fotosíntesis o el bronceado de la piel. La luz está formada por un conjunto de radiaciones electromagnéticas de distintas frecuencias agrupadas dentro de un cierto rango del espectro solar, llamado espectro luminoso o visible. La luz blanca que percibimos del sol es la mezcla de todos los colores del espectro visible y ocurre cuando el sol alcanza la posición del zenit (posición más alta sobre el horizonte y luz blanca) en un cielo sin nubes. Espectro luminoso F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Variación espectral El espectro luminoso generado por el sol sufre alteraciones cuando la luz atraviesa la atmósfera (absorción, reflexión y dispersión). Esto se debe principalmente a: Gases, partículas en suspensión y vapor de agua presentes en la atmósfera que filtran frecuencias como las UV e IF. Las nubes filtran la radiación solar atenuando o absorbiendo algunas frecuencias, lo que disminuye su energía. A su vez, reflejan al espacio gran parte de la radiación. Estos mecanismo se intensifican cuando los rayos solares deben atravesar mayores distancias dentro de la atmósfera como ocurre en las estaciones del año y durante distintos momentos del día. Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Movimientos de la Tierra Movimiento de traslación Movimiento elíptico alrededor del sol que da origen a las estaciones del año. Las estaciones se debe a que a que la tierra, en su movimiento de traslación describe una trayectoria elíptica un plano que está inclinado ~ 23,3º con relación al plano ecuatorial. Si el eje de rotación de la tierra no estuviese inclinado respecto de los rayos solares, no existirían las estaciones y desde la tierra, el sol haría el mismo recorrido siempre. Movimiento de rotación La tierra gira sobre sí misma a lo largo de un eje imaginario denominado “eje terrestre o de rotación” que pasa por sus polos. Una vuelta completa, dura aproximadamente 24hrs. Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Movimientos de la Tierra Movimiento aparente La primera referencia tomada por el hombre fue el sol, cuyo movimiento aparente, de este a oeste, determina el día y la noche, dando la impresión que el cielo gira alrededor del planeta. Este movimiento “aparente” del sol respecto de la tierra puede observarse a lo largo del día y del año. En verano, el sol se encuentra en la posición más alta, por lo que los rayos solares deben atravesar una menor distancia dentro de la atmósfera, haciendo que la variación espectral sea menor a la producía en invierno, dónde el sol debe atravesar una mayor distancia. Lo mismo ocurre durante el día, cuando el sol recorre una mayor distancia al estar más cercano al horizonte (amanecer y atardecer) y una menor distancia al medio día. Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Masa de aire La variación espectral depende de la espesura de la capa atmosférica y es especificada por un parámetro denominado “Masa de Aire” (MA). Este parámetro determina indirectamente la distancia entre la altura del sol respecto al horizonte y un observador fijo sobre la Tierra. Características importantes: La masa de aire estará dada por la expresión: Masa de Aire = 1 / cos(α). El ángulo α está formado entre la posición de zenit y la posición del sol en el momento de la observación. En el zenit, la distancia entre el observador y el sol es mínima, ya que los rayos solares caen formando un ángulo de 90° respecto al horizonte, por lo que la radiación de sol atraviesa una distancia mínima a través de la atmósfera. A la posición del zenit se le asigna, como referencia, una masa de aire unitaria: M1 = 1 / cos(0°) = 1 Algunos autores asignan el valor M0 al espectro luminoso fuera de la atmósfera. Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Masa de aire Las estaciones del año definen la posición del sol respecto de una ubicación geográfica dada, y esto determina la distancia del sol al observador, por lo que en invierno la radiación atravesará una mayor masa de aire que en verano. Esto mismo ocurre a diferentes horas del día. La fuente luminosa usada para medir la potencia máxima de salida de un panel FV tiene un espectro luminoso correspondiente a una Masa de Aire = 1,5. El valor de M 1,5 corresponde a un ángulo de 48,2°. Este valor ha sido adoptado como estándar para evaluar la potencia máxima de salida de un panel FV. Variación espectral F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Radiación global F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Radiación global Luego de los procesos de absorción, reflexión y dispersión al atravesar la atmósfera, la radiación que llega a la superficie terrestre se conoce como radiación global y está compuesta por la suma de: Radiación directa: Es la recibida en la superficie terrestre sin haber sufrido ningún cambio de dirección por absorción, reflexión o dispersión. Es la mayor y las más importante en las aplicaciones fotovoltaicas. Radiación difusa: Es la que se recibe después de haber cambiado su dirección por los procesos de dispersión y reflexión que ocurren en la atmósfera. En un día nublado, sólo se percibe esta radiación. Albedo: Es el porcentaje de radiación directa y difusa que se refleja por una superficie. Esta radiación es recibida por superficies próximas o reflejada al espacio. Radiación global F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Irradiancia F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Irradiancia La irradiancia es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética. Cuando la radiación proviene del sol, esta definición representa el valor de la potencia lumínica por unidad de superficie [W/m 2 ]. La radiación solar es casi constante en el exterior de la atmósfera. Este valor se conoce como constante solar y tiene un valor aproximado de 1.353 W/m 2 . El 50 % de esta energía se ubica en la banda visible, un 3 % en ultravioleta y 47 % en infrarrojo. La descomposición de esta radiación origina el espectro solar. Irradiancia F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Irradiancia Debido a la absorción, reflexión y dispersión que sufren los rayos solares al atravesar la atmósfera, la radiación solar extraterrestre puede reducirse un 25% en buenas condiciones atmosféricas. La irradiancia global máxima al medio día sobre el ecuador es de aproximadamente 1000 W/m 2 para una superficie perpendicular a los rayos del sol en el nivel del mar en un día claro. Es posible calcular teóricamente la irradiancia en un punto del planeta mediante fórmulas astronómicas y suponiendo un cielo despejado. Sin embargo, para corregir el valor obtenido se deben emplear las medidas reales de radiación captadas en ese lugar, ya que los fenómenos meteorológicos (nubes, nieblas) modifican en gran medida ese valor. Irradiancia F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Irradiancia La irradiancia posee un valor distinto para cada época del año y para cada momento del día. Esto no solo depende de la atenuación debido al espesor de la capa atmosférica sino también al ángulo de la superficie colectora de medición. Puesto que el sol se encuentra a diferente altura sobre el horizonte según la época del año (traslación), su radiación calienta la superficie con más o menos efectividad debido a que la potencia de la radiación incidente debe distribuirse sobre una mayor superficie. La irradiancia posee un valor distinto para cada instante del día (rotación). El sol del mediodía será mas intenso que a la mañana o a la tarde debido a la incidencia de sus rayos. A la noche, la irradiancia es de 0 W/m 2 , debido a que el sol no incide sobre esa parte de la tierra. Irradiancia F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Insolación La insolación o irradiación es la cantidad de radiación global recibida en un punto geográfico dado, durante un tiempo determinado y sobre una superficie colectora conocida. Es la energía radiante sobre una superficie de área conocida en un intervalo de tiempo dado como ser hora, día, año, etc. Geométricamente corresponde al área bajo la curva de irradiancia. El período de tiempo que se utiliza para los datos suelen ser días, meses y años. Se necesita tener en cuenta las variaciones cíclicas estacionales, conduciendo mediciones de la radiación solar diaria durante 10 ó más años. Las unidades mas convenientes para medir la insolación de un lugar para sistemas fotovoltaicos es [KWh/m 2 ]. Insolación Lugar Junio Diciembre La Quiaca 4,45 7,73 Salta 2,99 5,93 Posadas 2,55 6,32 Tucumán 2,63 5,86 Resistencia 2,67 6,28 Corrientes 2,67 6,28 Sgo. del Estero 3,25 7,9 Catamarca 3,3 8,01 La Rioja 3,29 8 San Juan 3,05 8,02 Córdoba 2,8 6,63 Santa Fé 2,24 6,7 Mendoza 2,57 7,93 San Luis 2,83 7,9 Rosario 2,1 6,69 Buenos Aires 2,01 6,99 Santa Rosa 1,92 7,53 Azúl 1,86 6,27 Mar del Plata 1,88 6,51 Bahía Blanca 1,83 7,21 Neuquén 1,97 8,02 Viedma 1,95 8,05 Insolación diara promedio [KWh/m 2 ] F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Insolación Variación de la insolación Si la superficie colectora mantiene un ángulo de inclinación fijo, el valor de la insolación en una dada locación estará afectada por las condiciones atmosféricas y la posición del sol respecto del horizonte. Si la superficie colectora posee un seguidor solar, la medición sólo se verá afectada por las condiciones meteorológicas. La presencia de nubes incrementa la absorción, reflexión y dispersión de la radiación solar. Las zonas desérticas tienen los mayores valores de insolación en el planeta debido a que carecen de nubes. F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Colector horizontal e inclinado La insolación depende del ángulo del arreglo con respecto a la posición del sol. Los datos se presentan en base al ángulo de inclinación del colector: Insolación horizontal: Muchas veces se utiliza una superficie horizontal para las mediciones. A partir de estos datos se puede estimar la insolación a un azimut y elevación determinado. Las mediciones realizadas por satélite utilizan este tipo “inclinación”. Insolación sobre un plano inclinado: Se realiza mediante una orientación manual o automática del colector hacia el sol. Las mediciones automáticas son realizadas mediante equipos de medición como heliógrafos acoplados a seguidores solares controlados por GPS. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Hora Solar Pico (HSP) La insolación (energía recibida por unidad de superficie) es representada por el área bajo la curva de irradiación. La potencia de los paneles fotovoltaicos se especifica como estándar en Watt pico [Wp], lo cual representa la potencia eléctrica que entrega el panel cuando: La irradiancia sobre él es de 1000 W/m 2 . El espectro de la fuente lumínica equivale al de una La Masa de Aire = 1,5. La temperatura es de 25 ºC. Con el objetivo de facilitar los cálculos a la hora de dimensionar los paneles fotovoltaicos, se define la Hora Solar Pico (HSP) como el número de horas de un día con una irradiancia ficticia de 1000 W/m 2 que tendría la misma insolación total que la real de ese día. De esta manera, conociendo la insolación de un determinado lugar, puede calcularse de manera sencilla la energía generada por un determinado panel fotovoltaico. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Hora Solar Pico (HSP) Ejemplo Supongamos que de una tabla o mapa de insolación se obtiene un valor de 8 KWh/m 2 de insolación diaria para un lugar específico. Si suponemos que la irradiancia del sol durante el día fue de 1KW/m 2 durante 8 horas (rectángulo amarillo), obtendríamos el mismo valor de insolación que calculando el área bajo la curva, ya que el área del rectángulo es de 1000W/m 2 x 8 horas = 8KWh/m 2 . Desde el punto de vista energético podemos asumir 8 Horas Solares Pico, con una irradiación constante de 1KW/m 2 . El valor numérico de la insolación 8 [kWh/m 2 ], es igual al número de Hora Solar Pico. Esto último es sólo válido con las unidades aquí utilizadas y gracias al valor unitario de 1 kW/m 2 Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Hora Solar Pico (HSP) Ejemplo Debido a que la potencia pico de los paneles se certifican con una irradiancia de 1 kW/m 2 ,la unidad HSP facilita los cálculos. Si se tiene un panel de 65Wp y una irradiancia de 8KWh/m 2 , la energía que generará el panel en un día será de 65Wp x 8HPS = 520 Wh. De no haber utilizado las HSP, el cálculo hubiese sido más complejo, ya que se hubiese tenido que conocer la eficiencia y el área de los paneles. La potencia pico especificada en los paneles no es la máxima potencia que es capaz de generar el panel fotovoltaico. Si las condiciones estándar son superadas, con una irradiancia mayor, por ejemplo, el panel podrá generar más potencia que la potencia pico. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Presentación de datos Primer "Atlas de Energía Solar de la República Argentina", elaborado por Hugo Grossi Gallegos y Raúl Righini posee un conjunto de cartas con la distribución mensual de los promedios diarios de la irradiación solar global. Existe actualmente una red universitaria de medición de radiación solar UTN/Universidad de Luján, que permite obtener datos actualizados y con mayor continuidad. El Software de Análisis de Proyectos de Energía Limpia RETScreen posee una amplia base de datos de Meteorología de Superficie y Energía Solar de la NASA. El Gobierno de Canadá ofrece la herramienta de manera totalmente gratuita, como parte de la estrategia del país para trabajar en un marco integral en la lucha contra el cambio climático y la reducción de la contaminación. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Presentación de datos Surface Meteorology and Solar Energy Data Set SSE – NASA [http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/] Sistema de libre acceso a la información en línea de la NASA, donde se proporcionan datos para el estudio del clima y la radiación solar. Información basada en mediciones realizadas durante más de 22 años sobre diferentes regiones del planeta a partir de una red de más de 200 satélites geoestacionarios. Resolución de un grado longitudinal por un grado latitudinal. Entre los parámetros de mayor utilidad ofrecidos por la base se tienen: Insolación global promedio, mínima y máxima sobre superficie horizontal e inclinada. Radiación directa y difusa promedio, mínima y máxima sobre superficie horizontal e inclinada. Parámetros de geometría solar como día solar, horas de brillo solar, declinación y ángulos horarios de puesta del sol. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Presentación de datos SWERA (Solar and Wind Energy Resource Assessment) [http://swera.unep.net] Proyecto del Programa de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente creado para proveer información y herramientas de alta calidad para el aprovechamiento de recursos energéticos renovables alrededor del mundo, y facilitar decisiones políticas y de inversión para el aprovechamiento de estos recursos. Para el área de estudio se tiene mapas de radiación solar a una resolución de 40 km. La Información obtenible más importante es: Radiación solar global en superficie horizontal. Radiación solar global en plano inclinado con resolución de 40 km. Radiación solar directa y difusa. Insolación F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Insolación Presentación de datos Atlas de Energía Solar de la República Argentina Insolación Solar Global Diaria correspondiente al mes de Julio Insolación Solar Global Diaria correspondiente al mes de Enero Insolación Solar Diaria anual F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar Espectro luminoso Variación espectral Trayectoria solar Masa de aire Radiación global Irradiancia Insolación Variación de la insolación Insolación horizontal e inclinada Hora Solar Pico (HSP) Presentación de datos Orientación de un arreglo fotovoltaico Ángulo de azimut y elevación Determinación del ángulo de inclinación Orientación de un arreglo fotovoltaico F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Ángulo de azimut y elevación Un arreglo fotovoltaico recibe la máxima radiación cuando se mantiene apuntando directamente al sol. Esto requiere el ajuste de dos ángulos del arreglo: Azimut: Para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste. Elevación: Para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar en la dirección norte - sur. Orientación fija: El ángulo de azimut se orienta hacia el Norte en el hemisferio Sur y hacia el Sur en el hemisferio Norte. El ángulo de elevación de dependiendo de la latitud del lugar. Orientación automática: Orienta los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares. Con un movimiento azimutal se recoge de 10% a un 25% más que las estructuras fijas. Con movimiento azimutal y de elevación, entre un 30% y el 45% frente a las instalaciones fijas. Orientación de un arreglo fotovoltaico F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Determinación de la inclinación El ángulo de inclinación o elevación α es el formado entre la superficie colectora y la horizontal del lugar. El ángulo β es el formado por la incidencia de los rayos solares y la perpendicular a la superficie colectora. Cuando β = 0, la superficie colectora es perpendicular a los rayos incidentes, por lo que la energía recolectada por el panel es máxima. Debido al movimiento de traslación de la tierra, la altura del sol en el zenit varía con las estaciones, por lo que es imposible mantener un ángulo constante de elevación α óptimo (β = 0) para todo un año. Orientación de un arreglo fotovoltaico F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - Determinación de la inclinación El ángulo de inclinación α suele fijarse para que maximice el ajuste entre la captación y la demanda de energía. Este criterio se traduce en: Para instalaciones con consumos constantes o similares a lo largo del año, es preferible optimizar la instalación para captar máxima radiación durante los meses invernales. Para instalaciones con consumos inferiores en invierno puede utilizarse como inclinación el valor de la latitud del lugar. Se optimiza así para los meses de primavera y otoño. Para instalaciones que sólo se usan en verano (por ejemplo riego) conviene optimizar la instalación para captar máxima radiación durante los meses estivales. Si la producción energética del sistema es adecuada en invierno, ésta será satisfactoria durante el resto del año, por lo que podrá usarse como regla práctica, las inclinaciones del ángulo α mostradas en la tabla. Orientación de un arreglo fotovoltaico F u n d a c i ó n E n e r g i z a r - 2 0 1 2 - La radiación solar