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INSTALACIÓN Y MANTENIMIENTO DE SISTEMAS SOLARES FV TEMA 1-1. EL SOL: FUENTE DE ENERGÍA.

CAPITULO 1: DEL SOL A LA CÉLULA FV

TEMA 01: EL SOL : FUENTE DE ENERGÍA

1. EL SOL: FUENTE DE ENERGÍA. DESARROLLO DE LOS CONTENIDOS 1. LA ENERGÍA DEL SOL. 1.1. Características del Sol.

1.2. Espectro solar.

1.3. Radiación. Tipos que llegan a la Tierra.

1.4. Parámetros de la posición Sol-Tierra.

1.4.1. Masa de aire.

1.4.2. Las estaciones.

1.4.3. Constante solar.

1.5. Captación de la energía solar.

1.5.1. Captación térmica pasiva.

1.5.2. Captación térmica activa.

1.5.3. Captación solar fotovoltaica.

2. PARÁMETROS DE LA ENERGÍA SOLAR FV. 2.1. Irradiancia solar. Constante solar.

2.2. Irradiación solar.

2.3. Insolación.

2.4. Índice de claridad.

2.5. Horas de sol pico.

2.6. Coeficiente de inclinación.

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1. LA ENERGÍA DEL SOL

1.1. CARACTERÍSTICAS DEL SOL

El Sol es una estrella de tipo medio en cuyo interior, y debido a las altas temperaturas y presiones existentes (entre 10 y 40 millones de ºK y más de 1 millón de atmósferas), se producen reacciones termonucleares de fusión, en las cuales interviene su principal componente, el HIDRÓGENO. En estas reacciones el hidrógeno H se convierte en helio He con una pérdida de masa de aprox. el 0,7%. Esta masa se convierte en energía radiactiva y atraviesa la capa solar hasta llegar a su superficie, la cual se encuentra a 5.500ºK, radiándose a continuación al espacio en forma de: ondas electromagnéticas, neutrinos y partículas subatómicas (viento solar).

DATOS DE LA ESTRELLA: SOL Diámetro del Sol 109 veces superior al de la Tierra Masa del Sol 330.000 veces mayor que la de la Tierra Temperatura Superficial de Sol 5.500 ºK Origen de la energía radiada Reacciones de fusión, Hidrógeno ……….Helio + energía Distribución de la energía radiada Calorífica = 46%; Luminosa = 49 %; Ultravioleta = 4 %;

Otras = 1 % Constante solar ( PERIHELIO) 1.400 W/m², fuera de la atmósfera Constante solar ( AFELIO) 1.309 W/m², fuera de la atmósfera Distancia media de la Tierra al Sol 150.000.000 Km

1.2 EL ESPECTRO SOLAR

La energía solar que nos llega a la Tierra lo hace en forma de ondas electromagnéticas, con longitudes de onda ( λ ) entre 0,3 y 3 µm . Dentro de este espectro nos encontramos con las siguientes radiaciones: Gamma ( 1% ), Ultra violeta ( 4% ), Luminosa ( 49% ) e Infrarroja (46% ).



Si bien es cierto que las radiaciones gamma y las ultra violeta poseen un mayor nivel energético, debido a su baja longitud de onda, apenas representan un 5% del total de la energía solar. Siendo la energía de las luminosas y las infrarrojas, con un 95%, la que deberemos tener en cuenta para su aprovechamiento. Las radiaciones electromagnéticas se pueden considerar como: corpúsculos energéticos oscilantes ( FOTONES ). Su nivel energético es inversamente proporcional a su longitud de onda, según la siguiente ecuación:

w = h . f = h . c / λ donde: w = Energía del fotón. h = Constante de Planck f = Frecuencia del fotón c = Velocidad de la luz λ = Longitud de onda

La tierra recibe del Sol una energía aproximada de unos. 5.000 Q/año, Si consideramos el consumo industrial en aprox. 0,25 Q/año. (1Q = 3.10¹³ kWh ), podremos hacernos una ligera idea de la gran cantidad de energía que recibimos del Sol y de sus posibilidades para solucionar, en parte, el problema energético que tiene la humanidad.

1.3. TIPOS DE RADIACIÓN QUE LLEGAN A LA TIERRA

La dispersión que sufre la radiación solar al paso por la atmósfera hace que se distingan dos tipos diferentes de radiación : DIRECTA y DIFUSA.



La radiación directa la recibimos del sol sin recibir desviaciones en su trayectoria, se caracteriza por producir sombras muy definidas y poder concentrarse mediante lentes. En días muy claros puede llegar a ser de, hasta el 85% de la radiación total. La radiación difusa es aquella que sufre desviaciones en su trayectoria, debido al paso a través de la atmósfera. En días claros, este tipo de radiación, puede llegar a ser un 15% de la total y en días nublados hasta el 100%.

Existe un tercer tipo llamada radiación de albedo, y es aquella radiación directa o difusa que se refleja en el suelo o en superficies cercanas a él ( nieve, lagos, paredes de edificios, etc. ).

“La radiación solar que recibimos a nivel de la superficie terrestre es la suma de las tres anteriores, DIRECTA, DIFUSA y DE ALBEDO”.

1.4. PARAMETROS DE LA POSICIÓN SOL - TIERRA

1.4.1. MASA DE AIRE. AM

Se denomina masa de aire (AM), a la distancia que recorre la radiación solar a través de la atmósfera terrestre. Esta distancia es función del ángulo que forman la perpendicular a la tierra y el rayo vector del Sol ( θ ).



Como podemos observar, cuanto mayor sea el ángulo formado entre la vertical y los rayos solares, mayor será la masa de aire que estos han de atravesar y, en consecuencia, menor la energía con la que incidan sobre la superficie terrestre. Este es el motivo por el que existen diferencias considerables en la incidencia energética de la radiación solar durante: los meses de invierno y verano, el ecuador y los polos, o el amanecer, el atardecer y el mediodía. Este concepto, como se puede comprender, es muy importante a la hora de realizar los cálculos necesarios para configurar debidamente una instalación de aprovechamiento de energía solar y está integrado en las tablas de irradiación solar.

1.4.2. LAS ESTACIONES

La posición del sol con respecto a un punto determinado de la superficie terrestre, es función de la hora del día y de la época del año. En el hemisferio norte:



La posición del sol, para cualquier hora del día y época del año se determina por dos ángulos: ELEVACIÓN y AZIMUT. ALTURA o ELEVACIÓN.- Es el ángulo formado por la línea imaginaria que une el sol con un determinado punto de la tierra, y su horizontal. AZIMUT.- Es el ángulo formado por la proyección, sobre la superficie terrestre, de la línea imaginaria que une el sol con un determinado punto de la tierra, y su meridiano. POSICION SOLAR: Ejemplo: ALTURA o ELEVACIÓN y AZIMUT, DESDE UN PUNTO SITUADO A 43º NORTE



1.4.3. LA CONSTANTE SOLAR

La intensidad de la radiación solar, al propagarse por el espacio, disminuye, según una función cuadrática (I = P/4 π R2 ), a medida que se aleja del SOL. A estos efectos podemos considerar que la órbita que describe la tierra alrededor del SOL es prácticamente circular (radio = 150 • 109 m).

or lo tanto, la intensidad de radiación solar, que llega al exterior de la atmósfera de la TIERRA, s una constante, y su cálculo será:

I = P/4 π R2

onde: I = (4 • 1026) / (4 • 3,14 • (150 • 109)2) = 1.400 W / m2

sí pues, la constante solar la podemos definir como:

LA INTENSIDAD DE RADIACIÓN SOLAR, FUERA DE LA ATMOSFERA, QUE INCIDE OBRE UNA SUPERFICIE DE 1 m2, PERPENDICULAR A LOS RAYOS SOLARES, URANTE 1 seg”.

l valor real es de: 1.367 W / m2.

y se denomina IRRADIANCIA Máxim

ngulo con el que inciden sus rayos sobre la superficie terrestre (masa de aire AM).

Pe

d

A “SD E A nivel de superficie terrestre, por efectos de la atmósfera este valor queda en:

1.000 W/m2, a.

La diferencia de radiación que nos llega a la tierra, en función de la hora del día y/o de la época del año, no se debe a la distancia a la que e encuentra el SOL de la TIERRA, sino al s

á



E

l

tnp

p Lef

D

R

I

1.5. CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLA

l aprovechamiento de la energía del Sol, por parte del ser humano, ha sido una constante desde empos inmemoriales. Los elementos de captación utilizados eran sistemas pasivos, no existía

ente eran elementos arquitectónicos; estanques, función de estos elementos era: acumular calor o dirigir la

uz, sin exponers a los rayos solares. También se utilizaban para secar alimentos o .

fabricados por el ser humano, podemos dividirla , captación térmica activa y captación

iingún tipo de control sobre ellos, y normalmatios interiores, cristaleras, etc. La

e directamenteroducir sal por evaporación del agua de mar

a captación solar directa, por medio de ingenios n tres tipos a saber: captación térmica pasivaotovoltaica.

iagrama donde se representan todos los modos de captación solar:

CAPTACIÓN SOLAR INDIRECTA

Olas Eólica Hidráulica

CAPTACIÓN SOLAR DIRECTA

FOTÓNICA

TÉRMICA

FotoquímicaFotovoltaicaActiva Pasiva

Arquitectura Solar Pasiva

Solar Térmica

Solar Fotovoltaica

Foto química

sa Bioma

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Es la captación directa de la energía solar en las viviendas o edificios, mediante la aplicación de criterios arquitectónicos bioclimáticos. La arquitectura bioclimática, al diseñar un edificio, tiene en cuenta tanto el o el medambiente que rodean a este. De esta forma, tanto la orientación com les que utiliza, van encaminados a aprovechar al máximo las energías renovables y a producir el mínimo impacto posible en Para la captación delos siguientes elementos: muros

en a

lanos, , etc.

eros se utilizan para suministrar vacío

la

º C, dad,

res.

xisten instalaciones eólico-solares, en las que se calienta el aire en unos invernaderos. Epor la que asciende el aire caliente y mueve un aerogenerador que se encuentra en su interior.

clima com io

o los materia

su entorno.

e la energía solar n viviendas, e utilizan algunos de s

acristalados, lechos de piedras, plantas, recipientes de agua, muros

e inercia, etc. d

La captación térmica activa se realizaradiación infrarroja del sol y la trasmit Existen diversos tipos de colectores: pde vacío, cilíndricos, concentradores

mediante colectores térmicos. Estos elementos captan la un fluido (agua o aire) que circula por ellos.

Los primagua caliente a las viviendas; los dey los de aire sirven para calefacción; y losconcentradores, pueden elevartemperatura del agua a más de 1.000utilizándose para producir electricimediante turbogenerado E

n el centro de ellos existe una chimenea,

1.5.1 CAPTACIÓN SOLAR TÉRMICA PASIVA

1.5.2. CAPTACIÓN SOLAR TÉRMICA ACTIVA



Llamamos, captación solar fotovoltaica a la conversión directa de la energía solar en energía léctrica. Es el espectro visible de la radiación solar el máximo responsable de esta conversión.

ión es: LA CELULA FOTOVOLTAICA.

Tipos y formas de célul

e El elemento básico, encargado de esta convers

a fotovoltaica y su constitución interna

1.5.3. CAPTACIÓN SOLAR FOTOVOLTAICA



Es la intensidad de radiación solar que incide en una superficie unitaria en la unidad de tiempo y se mide en ( W/m² ). La irradiancia, es un valor variable en función de: el ángulo de inclinación de la superficie, la latitud del lugar, la época del año, la hora del día, las condiciones climatológicas, la contaminación etc. En condiciones ideales, el valor máximo que puede alcanzar es de 1.000 W/m² .

s tablas de irradiancia, nos dan valores medios, de un día medio de cada mes, para lugares eterminados y sobre superficies horizontales.

a irradiancia se expresa con la letra G , y se le aplican los subíndices: o, b y d. para expresar los

• Go• Gb• Gd• G

a irradiancia extraterrestre, para una superficie perpendicular a la radiación solar, es lo que enominamos constante solar.

os datos de irradiancia son útiles para realizar los cálculos de irradiación solar en superficies orizontales, datos necesarios para el correcto dimensionado de las instalaciones solares.

2. PARÁMETROS DE LA ENERGÍA SOLAR

2.1. IRRADIANCIA SOLAR.

Valores que toma la irradiancia solar al cabo del día, según la posición del Sol. En lad Lsiguientes conceptos:

…………. Irradiancia extraterrestre sobre una superficie horizontal. …………. Irradiancia directa sobre una superficie horizontal. …………. Irradiancia difusa sobre una superficie horizontal.

…………. Irradiancia global sobre una superficie horizontal. Ld Lh



T

ABLA DE LA RADIACIÓN MENSUAL Y ANUAL DE LAS 52 PROVINCIAS



Es la cantidad de energía solar que incide en una superficie unitaria en un tiempo determinado. Se mide en, Kj/m² ó kWh/m². También se dan las siguientes correspondencias:

1 kWh/m² = 1.000 Wh/m². 1 kWh/m² = 3.600 kj/m². 1 kWh/m² = 3,6 Mj/m².

Por lo general, para calcular la irradiación, se determina la irradiancia a diferentes horas del día y se integran los valores tomados, para obtener el valor de la irradiación.

Variaciones de la irradiancia solar al cabo del día e irradiación total obtenida

Según queramos expresar la irradiación durante una hora o durante un día, deberemos utilizar la letra ( I ) en el primer caso y la ( H ) en el segundo. Los subíndices serán los mismos que para la irradiancia.

2.2. IRRADIACIÓN SOLAR.



s el número de horas en las q

2.3. INSOLACIÓN

E ue el Sol no está cubierto por las nubes. Se puede dar el número e representa por ( Nsol ).

Un día del mes de Junio,, según el gráfico de la derecha, tendremos alrededor de 15 horas de luz de día. Si ese día han sucedido unos periodos de tiempo con el cielo nublado, tal como se muestra en el gráfico de la izquierda, donde se contabilizan 8 horas, la insolación será la resta entre ambas cantidades.

INSOLACIÓN = HORAS DE LUZ – HORAS DE NUBLADO

Nsol = 15 – 8 = 7 horas

Con los datos obtenidos por el EVE, ha podido confeccionarse una tabla de valores medios de insolación, para cada mes, distribuidos por las tres zonas del territorio estudiado.

de horas de Sol, diarias, mensuales, anuales, etc. S

INSOLACIÓN Nsol EN EL PAIS VASCO

MES ZONA COSTA ZONA LA RIOJA INTERMEDIA ENERO 73 70 104 FEBRERO 88 95 126 MARZO 117 130 161 ABRIL 126 140 178 MAYO 163 177 218 JUNIO 170 197 253 JULIO 188 236 300 AGOSTO 177 217 279 SETIEMBRE 147 176 202 OCTUBRE 127 133 157 NOVIEMBRE 87 84 117 DICIEMBRE 66 57 94



Es el cociente entre la irradiación que recibe una superficie horizontal en la superficie terrestre y la irradiación que hubiera recibido si estuviese fuera de la atmósfera terrestre. Este parános indica el grado de atenuación global que sufren las radiación solar al atravesar la atmósfera en un lugar determinado. Se representa por las letras ( Kt ).

Tabla de valores del índice de clarid

L vel de mar se considera que tiene un valor de 1.000 W/m2. Los datos técnicos de los m n referidos siempre a ese valor de irradiancia.

Para simplificar los cálcu irradiancia constante de 1.000 W/m², onde la ir en kWh/m A est se le llama HORAS DE SOL PICO y se re entan por las letra SP ). La relación entre la IRRADIACIÓ ar y las HSP es la siguiente: Expresada en kWh/m2.: (kW W/m2) = HSExpr LANGLEYS: LAN YS x 0,0116 = HSExpresada en Mj/m2 : Mj x 0,28 = HSP. Com mos una superficie que ha recibido durante un día una irra n (energía) de 5 a saber cuantas ho ecesitaría, para recibir esa energía, con una irradiancia de 1.000 os más que sacar el cociente entre la irradiación y la irradiancia;

(5 kWh/m²) / (1kW/m²) = 5 HSP.

metro

ad, KT, en el País Vasco

a irradiancia áxima teórica a niódulos fotovoltaicos está

m

los necesitaremos saber a cuantas horas, de una

corresp radiación diaria, ².

a relación pres s ( H

N sol

h/m2) / (1k P. esada en GLE P.

o ejemplo, tome diaciókWh/m². Par ras n W/m², no tenem

INDICE DE CLARIDAD (Kt) EN EL PAIS VASCO

MES ZONA COSTA

ZONA INTERMEDIA LA RIOJA

ENERO 0,37 0,37 0,44 FEBRERO 0,39 0,42 0,52 MARZO 0,39 0,45 0,55 ABRIL 0,41 0,44 0,52 MAYO 0,43 0,46 0,54 JUNIO 0,44 0,48 0,58 JULIO 0,45 0,55 0,63 AGOSTO 0,46 0,55 0,61 SETIEMBRE 0,45 0,53 0,58 OCTUBRE 0,43 0,47 0,53 NOVIEMBRE 0,40 0,41 0,48 DICIEMBRE 0,34 0,33 0,46

2.4. INDICE DE CLARIDAD.

2.5. HORAS SOL PICO. HSP.



Gráfico donde se representa el número de HSP del ejemplo anterior

2.6. COEFICIENTE DE INCLINACIÓN.

Para aprovechar al máximo la radiación solar, necesitaríamos colocar los módulos FV p ol. Esto nos obliga, en función de la latitud donde se ubique la instalación y de la época del os, a colocar los módulos con una cierta inclinación con respecto a la horizontal.

cies rizontales, comprenderemos la necesidad de contar con coeficientes de corrección para el

Valores que toma el coeficiente K, según el grado de inclinación del módulo FV

erpendiculares a los rayos del saño en que nos encontrem

Sí, tenemos en cuenta que los datos de irradiación se dan en algunos casos sobre superfihocálculo correcto de la irradiación en los módulos inclinados. El coeficiente de inclinación se representa por la letra ( k )



Medición de la radiación solar

Para muchas aplicaciones prácticas, no basta con calcular la radiación teórica que incide sobre un lugar o sobre un equipo solar determinado. Es necesario hacer las mediciones, para tener los valores efectivos de energía disponible o incidente sobre un colector.

Existen varios métodos para medir la radiación solar, ya sea en forma de irradiancia o de irradiación. El método más aceptado comúnmente, es el uso de un piranómetro.

Un piranómetro, es un instrumento para medir la irradiancia global (directa más difusa),usualmente sobre una superficie horizontal

.

peratura entre ellos. La hipótesis de trabajo de un piranómetro, es que la irradiancia es directamente proporcional a la diferencia de temperatura entre ambos sensores.

Para evitar ruido en las lecturas, causado por el viento y otros factores meteorológicos, el sensor expuesto a la radiación (y a veces también el otro) suelen estar protegidos por un hemisferio de vidrio. Este hemisferio, de características ópticas adecuadas, permite el paso de la radiación, pero evita el enfriamiento por viento, lo cual alteraría la lectura.

Es posible utilizar piranómetros para medir radiación directa y difusa por separado, de la siguiente forma: se requieren dos piranómetros, uno de ellos se instala horizontalmente y mide radiación global. Al otro se le coloca una "sombra" que consiste en una banda o un disco para obstruir la radiación directa. Entonces, este piranómetro medirá sólo radiación difusa. La resta de la global menos la difusa, da como resultado la directa.

Otro instrumento para medir radiación solar es el pirheliómetro, se trata de un instrumento que se enfoca directamente al Sol para medir exclusivamente la radiación que proviene de él y de sus proximidades. Es decir, es un instrumento que mide radiación directa. A diferencia del

El tipo más común de piranómetros, consiste en dos sensores de temperatura, uno de ellos expuesto a la radiación solar y ennegrecido y el otro, protegido de la radiación. Si los dos sensores se encuentran en condiciones similares en todo, menos en el hecho de estar expuestos a la radiación, habrá una diferencia de tem



piranómetro, que suele instalarse fijo, el pirheliómetro debe contar con un sistema de movimiento de relojería para seguir el Sol con gran precisión.

La información generada por un piranómetro debe ser registrada, ya sea por un método gráfico o electrónico de forma que se puedan integrar las irradiancias en períodos dados, para obtener la irradiación correspondiente.

Gráfico

Cuando el valor de la irradiancia medida está muy por debajo del valor de atmósfera clara, suele deberse principalmente a la aparición de nubes, siempre que no exista ningún objeto que proyecte sombra sobre el instrumento o se produzca un eclipse.


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