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CURSO FOTOVOLTAICA “Radiación Solar”

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Radiación Solar Irradiancia e Irradiación Radiación Global Radiación Superficial Inclinada Instrumentos de Medición Solar Estimación de Radiación Solar

Radiación Solar El Sol genera energía mediante reacciones nucleares de fusión que se producen en su núcleo. Esta energía recibe el nombre de radiación solar, se transmite en forma de radiación electromagnética y alcanza la atmósfera terrestre en forma de conjunto de radiaciones o espectro electromagnético con longitudes de onda que van de 0,15 μm a 4 μm aproximadamente. Constante Solar : G0=1.367 ± 2 W/m2

Producto al Eclipse SolTierra, la irradiación fluctúa un poco a través del año: G0=1.367 ± 2 W/m2

Radiación Solar La radiación solar atraviesa la atmósfera antes de llegar a la superficie terrestre y se altera por el ai re, la suciedad, el vapor de agua, los aerosoles en suspensión, y otros elementos de la atmósfera. Estas alteraciones son de diferentes tipos según la propiedad óptica que se pone de manifiesto: ü Reflexión: nubes. ü Absorción: ozono, oxígeno, dióxido de carbono, vapor de agua. Sólo actúa sobre algunas longitudes de onda de la radiación. ü Difusión: polvo, aerosoles, gotas de agua. Estos efectos varían dependiendo de la cantidad de atmósfera que la radiación solar ha de atravesar. Para especificar esta distancia se utiliza el concepto de masa de aire (AM) que es el espesor de la atmósfera terrestre que recorre la radiación solar directa expresado como múltiplo del camino que recorrería en una dirección perpendicular a la superficie terrestre.

Radiación Solar Variación Anual Irradiación Global

Ej: Berlín de 1961 hasta 2009. Fuente: DGS, DWD, FU Berlin

Radiación Solar Cuando el Sol está en su posición más alta, en un día sin nubes, la masa de aire (AM) atravesada es mínima y vale 1 a nivel del mar. Se indica como AM 1. El valor AM 0 se utiliza para especificar las condiciones sobre una superficie normal al Sol fuera de la atmósfera terrestre. Se puede calcular la masa de aire con la expresión:

()

° 1 1 ⎫ γ S = ángulo de elevación solar AM = = sen ( γ S ) cos ( θZS ) ⎬⎭ θ = ángulo do distancia cenital ZS

Cuando se especifica la potencia máxima de un módulo fotovoltaico en sus hojas de datos se indica para un valor de AM=1,5 que corresponde a un ángulo cenital θzs de 48,2°. Afta 42,9° < γS < 89,9 1,47 < AM < 1

Radiación Solar

Ej: Altura Sol al medio día en Berlín Transcurso del Año

Radiación Solar

22.6 γS=42,9° AM 1,47

20.4 γS=54° AM 1,24

20.3 γS=66° AM 1,09

21.2 γS=76° AM 1,03

22.12 γS=89,9° AM 1

Radiación Solar • La radiación solar sobre la superficie terrestre tiene variaciones temporales, siendo unas aleatorias, como la nubosidad, y otras previsibles, como son los cambios estacionales o el día y la noche, provocadas por los movimientos de la Tierra. • Para facilitar su estudio, la radiación solar sobre un receptor se clasifica en tres componentes: directa, difusa y reflejada o de albedo.

Radiación Solar Radiación directa: la forman los rayos recibidos directamente del Sol. Radiación difusa: procedente de toda la bóveda del cielo, excluyendo el disco solar, la forman los rayos dispersados por la atmósfera en dirección al receptor (por ejemplo, en un día completamente nublado toda la radiación recibida es difusa). Radiación reflejada o de albedo: reflejada por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de las montañas, lagos, edificios, etc. que rodean al receptor. La suma de todas las radiaciones descritas recibe el nombre de radiación global que es la radiación solar total que recibe la superficie de un receptor y por lo tanto la que nos interesa conocer y cuantificar.

Irradiancia e Irradiación Para cuantificar la radiación solar se utilizan dos magnitudes que corresponden a la potencia y a la energía de la radiación que llegan a una unidad de superficie, se denominan irradiancia e irradiación y sus definiciones y unidades son las siguientes: Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie. Indica la intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2). Irradiación: integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo determinado. Es la cantidad de energía solar recibida durante un periodo de tiempo. Se mide en julios por metro cuadrado por un periodo de tiempo (J/m2 por hora, día, semana, mes, año, etc., según el caso). En la práctica, dada la relación con la generación de energía eléctrica, se utiliza como unidad el Wh/m2 y sus múltiplos más habituales kWh/m2 y MWh/m2

Irradiancia e Irradiación Para especificar la radiación global mediante sus correspondientes magnitudes, irradiancia global e irradiación global. Irradiancia Global

Irradiación Global

Periodo de tiempo de integración de la irradiación: horaria (h), diaria (d), mensual (m) o anual (a)

G Gt,I

Valor medio de la irradiación: valor medio mensual (m) o valor medio anual (a).

Irradiancia e Irradiación

Irradiancia e Irradiación Influencia de la nubes en la irradiacia e irradiación

Radiación Global ¿Cuánta energía solar llega a la superficie de un generador fotovoltaico? ü ü

ü ü

Debe hacerse una predicción basada en datos históricos. Podemos conocer cuánta energía solar se ha recibido en el pasado, pero no podemos saber cuánta energía solar se recibirá en el futuro en ese lugar, solo podemos suponer que el comportamiento del clima en el futuro será parecido al del pasado y basándonos en esto, calcular la energía solar que se recibirá. Las bases de datos existentes utilizan registros históricos de varios años con los datos horarios o diarios de irradiancia solar sobre superficie horizontal o inclinada. Los datos se tratan para obtener un modelo de comportamiento anual que recoge, para cada mes, la media de todos los valores de radiación recogidos para ese mes a lo largo de los años.

Radiación Global ¿Cuánta energía solar llega a la superficie de un generador fotovoltaico? ü ü

ü ü

Debe hacerse una predicción basada en datos históricos. Podemos conocer cuánta energía solar se ha recibido en el pasado, pero no podemos saber cuánta energía solar se recibirá en el futuro en ese lugar, solo podemos suponer que el comportamiento del clima en el futuro será parecido al del pasado y basándonos en esto, calcular la energía solar que se recibirá. Las bases de datos existentes utilizan registros históricos de varios años con los datos horarios o diarios de irradiancia solar sobre superficie horizontal o inclinada. Los datos se tratan para obtener un modelo de comportamiento anual que recoge, para cada mes, la media de todos los valores de radiación recogidos para ese mes a lo largo de los años.

Radiación Superficie Inclinada Se puede calcular el valor medio anual de la irradiación global diaria sobre una superficie inclinada, partiendo de los valores medios anuales de la irradiación global diaria horizontal [Gda(0)], utilizando como datos de partida la latitud de la localidad y la inclinación óptima (βopt) de la superficie del generador. La irradiación global anual que se obtiene sobre la superficie con inclinación óptima y acimut cero es: Ga ( 0 ) Ga (βopt ) = 2 1 − 4,46 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt − 1,19 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt Ga(βopt)

:

Ga(0) βopt

: :

Valor medio anual de la irradiación global sobre superficie con inclinación óptima (kWh/m2). Media anual de la irradiancia global horizontal kWh/m2). Inclinación óptima de la superficie (°).

Radiación Superficie Inclinada Ejemplo: Calcular la irradiación global anual que recibe una superficie con inclinación óptima y acimut cero instalada en Antofagasta. Solución: La ciudad de Antofagasta se ubica a: Latitud, φ = 23,6º. Valor medio anual de la irradiación global diaria horizontal, Gda(0) = 5,35 kWh/m2. à Inclinación óptima: βopt = 3,7 + 0,69 · |φ| = 3,7 + 0,69 · 23,6 = 20º à Irradiación global anual horizontal: Ga(0) = 365 · Gda(0) = 365 · 5,35 = 1952,8 kWh/m2 à Irradiación global anual para la superficie con inclinación óptima:

Ga (βopt ) = =

Ga ( 0 ) 2 1 − 4,46 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt − 1,19 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt

1952,8 kWh 2069,8 = 1 − 4,46 ⋅ 10 −4 ⋅ 20 − 1,19 ⋅ 10 −4 ⋅ 20 2 m2 ⋅ año

Radiación Superficie Inclinada Factor de irradiación (FI) Siempre que sea posible se debe orientar la superficie del generador de forma óptima (α = 0° y βopt). Sin embargo este requisito no siempre se puede cumplir. Pueden condicionar la orientación de la superficie, la integración arquitectónica, la resistencia al viento, la acumulación de nieve, etc. Para considerar estas pérdidas, debidas a la inclinación y orientación no óptimas, se aplica un coeficiente de reducción de la energía denominado factor de irradiación (FI) y que se calcula con las expresiones siguientes:

Radiación Superficie Inclinada Para ángulos de inclinación: 15° < β ≤ 90° :

FI = 1 − ⎡1,2 ⋅ 10−4 ⋅ (β − βopt ) + 3,5 ⋅ 10−5 ⋅ α 2 ⎤ ⎣⎢ ⎦⎥ 2

Para ángulos de inclinación: β ≤ 15°: 2 FI = 1 − ⎡1,2 ⋅ 10 −4 ⋅ (β − βopt ) ⎤ ⎢⎣ ⎥⎦

Donde: FI β βopt α

: factor de irradiación (sin unidades) : inclinación real de la superficie (°) : inclinación óptima de la superficie (°) : acimut de la superficie (°)

La irradiación sobre la superficie con inclinación y acimut no óptimos se calcula multiplicando la irradiación sobre la superficie con inclinación óptima por el factor de irradiación:

Radiación Superficie Inclinada Ga ( α, β ) = FI ⋅ Ga (βopt ) Donde: Gα(α,β) Gα(βopt) FI

: valor medio anual de la irradiación global sobre superficie con inclinación y acimut no óptimos (kWh/m2) : valor medio anual de la irradiación global sobre superficie con inclinación óptima (kWh/m2) y acimut cero. : factor de irradiación (sin unidades)

Radiación Superficie Inclinada Ejemplo: Calcula el valor medio anual de la irradiación sobre una superficie situada en Antofagasta, inclinada un ángulo de 23,6º y orientada 20º hacia el Oeste. Solución: La ciudad de Antofagasta se ubica a: Latitud, φ = 23,6º. Valor medio anual de la irradiación global diaria horizontal, Gda(0) = 5,35 kWh/m2. à Inclinación óptima: βopt = 3,7 + 0,69 · |φ| = 3,7 + 0,69 · 23,6 = 20º à Irradiación global anual horizontal: Ga(0) = 365 · Gda(0) = 365 · 5,35 = 1952,8 kWh/m2 à Irradiación global anual para la superficie con inclinación óptima: Ga (βopt ) = =

Ga ( 0 ) 2 1 − 4,46 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt − 1,19 ⋅ 10 −4 ⋅ βopt

1952,8 kWh 2069,8 = 1 − 4,46 ⋅ 10 −4 ⋅ 20 − 1,19 ⋅ 10 −4 ⋅ 20 2 m2 ⋅ año

Radiación Superficie Inclinada Factor de irradiación para inclinación β = 40º y acimut α = 20º: FI = 1 − ⎡1,2 ⋅ 10 −4 ⋅ (β − βopt ) + 3,5 ⋅ 10 −5 ⋅ α 2 ⎤ ⎣⎢ ⎦⎥ 2

= 1 − ⎡1,2 ⋅ 10 −4 ⋅ ( 40 − 20 ) + 3,5 ⋅ 10 −5 ⋅ 20 2 ⎤ = 0,938 ⎣ ⎦ 2

Valor medio anual de la irradiación global diaria sobre la superficie: Ga ( α, β ) = FI ⋅ Ga (βopt ) Ga ( 20,40 ) = 0,938 ⋅ 2069,8 = 1941,5

kWh m2 ⋅ año

Espectro Visible La luz, no importa su origen (solar, foco incandescente o fluorescente) es el resultado de radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia. La parte visible de la luz solar está contenida dentro de un determinado grupo de frecuencias, al que se lo denomina espectro visible.

λ=

c f

La radiación de calor (no visible) corresponde a la radiación infraroja (por debajo de la frecuencia del rojo). La radiación (no visible) del violeta corresponden a la radiación ultravioleta (por encima de la frecuencia del violeta).

Espectro Visible

Instrumentos de Medición Solar Radiación Solar Directa Pirheliómetro

Mide radiación directa mediante comparación de señales. Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : < 5% Accesorios necesario : Seguimiento en dos ejes

Instrumentos de Medición Solar Radiación Solar Global Piranómetro

Mide radiación Global (Directa + Difusa) Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : 180% Accesorios necesario : ninguno

Instrumentos de Medición Solar Radiación Solar Global Inclinada Piranómetro

Mide radiación Global recibida por una superficie inclinada Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : 180% Accesorios necesario : Necesita escudo de radiación reflejada (albedo)

Instrumentos de Medición Solar Radiación Solar Global Reflejada (DIFUSA) Piranómetro

Mide radiación radiación difusa Rango Espectral : 300 nm – 3000 nm. Ángulo de visión : 180% Accesorios necesario : Sistema de anillo s o discos que bloquean la radiación directa. Éstos requieren de seguimiento o ajuste manual.

Instrumentos de Medición Solar Pirgeómetro

Mide radiación de onda larga (IR) Rango Espectral : 4,5 μm– 100 µm. Ángulo de visión : 180%

Sensores Fotoeléctricos Mide radiación de Global 0-2000 W/m2 400 nm ÷ 700 nm W/m2

Estimación Radiación Solar

Piranómetro Clase 1ª

0-2000 W/m 2 335 nm ÷ 2200 nm W/m 2 (95%)

Piranómetro Clase 2ª

0-2000 W/m 2 335 nm ÷ 2200 nm W/m 2 (95%)

Piranometro Fotoeléctrico

0-2000 W/m2 400 nm ÷ 700 nm W/m2 (95%)

Estimación Radiación Solar Datos Bancables Las mediciones de radiación solar deben cumplir, como mínimo, con las exigencias impuestas por la WMO/CIMO para datos Clase A. Datos Clase A: Piranómetro 1era Clase ISO 9060. Incerteza del 5% para el total del día. Sensor ventilado. Calibración cada dos años. Limpieza regular del sensor (al menos semanalmente). Datos Clase B: Piranómetro 1era Clase ISO 9060. Sin ventilación. Calibración cada dos años. Limpieza del sensor sin regular.

Estimación Radiación Solar Datos Bancables Datos Clase C: Piranómetro 1era Clase ISO 9060. Sin ventilación. Calibración cada cinco años. Limpieza del sensor sin regular. Datos Clase D: Sensor con características desconocidas o sensor que no sea de termopila. Calibración desconocida o sin regular. Para obtener datos de radiación clase A, los equipos deberán contar con ciertas exigencias mínimas, teniendo en cuenta la ISO 9060 y las recomendaciones de la WMO (World Meteorological Organization).

Estimación Radiación Solar ISO 9060 - Piranómetros Especificación Tiempo de respuesta al 95%

Segunda Referencia

Prime

Segunda

(Segundo Estándar)

Clase

Clase

< 15 s

< 30 s

< 60 s

+ 7 W / m 2

+ 15 W / m 2

+ 30 W / m 2

± 2 W / m 2

± 4 W / m 2

± 8 W / m 2

± 1 W / m 2

± 5 W / m 2

± 10 W / m 2

± 0.8 %

± 1.8 %

± 3 %

Desviación del "cero" (respuesta a 200 W m-2 de radiación termal neta ) Desviación del "cero" (respuesta a cambios en la temp ambiente de 5 K/h) Resolución Estabilidad (porcentaje a escala completa, cambios / año)

Estimación Radiación Solar ISO 9060 - Piranómetros Especificación

Segunda Referencia

Prime

Segunda

(Segundo Estándar)

Clase

Clase

Con un piranómetro de

Con un piranómetro de

"segunda referencia"

"segunda referencia"

Con un piranómetro de Trazabilidad (Manteniendo comparación periódica)

"primera referencia" (First Standard). A lo más cada 2 años.

(Secondary Standard) ó de (Secondary Standard) ó Primera Clase (calibrado).

de Primera Clase,

A lo más cada 2 años.

calibrado.

ISO 9060 - Pirheliómetros Especificación Tiempo de respuesta al 95%

Segunda Referencia

Primera Clase

Segunda Clase

< 15 s

< 20 s

< 30 s

± 2 W / m2

± 4 W / m2

± 8 W / m2

± 0.5 W / m2

± 1 W / m2

± 5 W / m2

± 0.5 %

± 1 %

± 2 %

(Segundo Estándar)

Desviación del "cero" (respuesta a cambios en la temp ambiente de 5 K/h) Resolución Estabilidad (porcentaje a escala completa, cambios / año)

Estimación Radiación Solar ISO 9060 - Pirheliómetros Especificación

Segunda Referencia (Segundo Estándar)

Primera Clase Con un pirheliómetro

Trazabilidad (Manteniendo comparación periódica)

Con un pirheliómetro de

de "segunda

"primera referencia" (First referencia" (Secondary Standard).

Standard) ó de Primera

Mínimo cada 2 años.

Clase (calibrado). Mínimo cada 2 años.

Segunda Clase Con un pirheliómetro de "segunda referencia" (Secondary Standard) ó de Primera Clase, calibrado.

Estimación Radiación Solar ¿Que Equipos emplear? Tipo de Proyecto a Evaluar

Variable a medir Irradiancia Global Horizontal

Irradiancia Difusa Horizontal - Investigación científica. - Potencial solar.

Características de instrumentación Piranómetro de 2da Referencia ISO 9060. - Elemento de montaje correspondiente. Piranómetro de 2da Referencia ISO 9060. - Con esfera de sombreamiento (distancia al piranómetro: 50±1 cm) - Elemento de montaje correspondiente.

Irradiancia Directa (con seguimiento)

Pirheliómetro de 2 da Referencia ISO 9060. - Seguidor solar de dos ejes por hardware y software (Sun Tracker).

Horas de Sol

Sunshine Duration Sensor. - Rango de respuesta en espectro de 400 a 1100 nm. - Umbral de respuesta: irradiancia directa > 120 W/m² - Trípode o barra de montaje adecuado.

Estimación Radiación Solar

Tipo de Proyecto a Evaluar

Variable a medir

Irradiancia Global Horizontal Plantas fotovoltaicas fijas. Irradiancia Global En Plano de Instalación

Características de instrumentación Piranómetro de 1era Clase ISO9060. - Respuesta en el espectro de radiación: - Límite inferior ≤ 300 nm - Límite superior ≥ 1100 nm - Elemento de montaje correspondiente Piranómetro de 1era Clase ISO9060. - Respuesta en el espectro de radiación: - Límite inferior ≤ 300 nm - Límite superior ≥ 1100 nm - Elemento de montaje correspondiente

Estimación Radiación Solar Tipo de Proyecto a Evaluar

Variable a medir

Características de instrumentación

Irradiancia Global (con seguimiento)

Piranómetro de 1era Clase ISO9060. - Respuesta en el espectro de radiación: - Límite inferior ≤ 300 nm - Límite superior ≥ 1100 nm - Seguidor solar de dos ejes por hardware y software (Sun Tracker).

Irradiancia Directa (con seguimiento)

Pirheliómetro de 1 era Clase ISO9060. - Respuesta en el espectro de radiación - Límite inferior ≤ 300 nm - Límite superior ≥ 1100 nm - Seguidor solar de dos ejes por hardware y software (Sun Tracker).

Plantas fotovoltaicas con seguimiento.

Estimación Radiación Solar ¿Cada cuanto tiempo muestrear? Tipo de Proyecto a Evaluar

Tiempos de Muestreo

- Investigación científica. - Potencial solar.

Promedio de 60 muestras cada 1 minuto. (tiempo de muestreo: 1s)

Plantas fotovoltaicas.

Promedio de 10 muestras cada 5 minutos.

Plantas Termo-Solares.

Promedio de 10 muestras cada 5 minutos. (tiempo de muestreo: 30s) (tiempo de muestreo: 30s)

Estimación Radiación Solar La radiación solar puede ser estimada para un determinado plano, ya sea horizontal, inclinado o normal a los rayos solares. REn plano horizontal REn plano Inclinado REn plano perpendicular a rayos solares Hd =

n−1

⎡ (Rn + Rn+1 ) ⋅ ( tn+1 − tn ) ⎤ ⎥ 2 ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

∑⎢ 1

⎛ ⎞ H = Radiación Solar diaria ⎜ Wh ⎟ d m2 ⎠ ⎝ ⎛ ⎞ Rn = Radiación instantánea ⎜ W ⎟ 2 m ⎠ ⎝ tn = Tiempo (horas ) para la medición "n" n = Número de medidas de radiación obtenidas

Estimación Radiación Solar Radiación Global en seguimiento (W/m 2)

dd.mm.yy hh:mm

tn

Radiación Difusa en seguimiento (W/m 2)

15.05.09

0:00

0

15.05.09

0:10

-3

0:20

-3

0:30

15.05.09 15.05.09 15.05.09 15.05.09 15.05.09

15.05.09 15.05.09 15.05.09 15.05.09

15.05.09 15.05.09

tn+1

Rn Rn+1

Radiación Global Horizontal (W/m 2)

Radiación Directa (W/m 2)

0

0

0

9,1

-1

-3

-1

8,9

-2

-3

0

-3

-2

-3

11:40 11:50 12:00 12:10 12:20

818 817 816 819 820

40 38 36 36 35

23:20 23:30 23:40 23:50

-3 -2 -2 -3

-3 -1 -1 -2

0,000

0,000

0,000

0,000

0,000

8,2

0,000

0,000

0,000

0,000

0

7,4

0,000

0,000

0,000

0,000

805 813 818 823 824

778 779 779 783 785

19,6 19,7 20,3 20,2 20,5

0,136 0,136 0,136 0,137 0,137

0,007 0,006 0,006 0,006 0,006

0,135 0,136 0,137 0,137 0,137

0,130 0,130 0,130 0,131 0,131

-4 -3 -2 -3

0 0 -1 0

6,4 7,8 7,5 6,1

0,000 0,000 0,000 0,000 8,3

0,000 0,000 0,000 0,000 0,4

0,000 0,000 0,000 0,000 5,5

0,000 0,000 0,000 0,000 7,9

Información Día

( m) Radiación instantánea ( W m ) Wh

2

2

(horas)

Radiación Directa (kWh/m 2)

0,000

⎡ (Rn + R n +1) ⋅ (tn+1 − tn ) ⎤ Hd = ∑ ⎢ ⎥ 2 1 ⎢ ⎥ ⎣ ⎦

tn = Tiempo

Radiación Global Horizontal (kWh/m 2)

0,000

n −1

Rn =

Hd

Radiación Difusa en seguimient o (kWh/m 2)

0,000

Calculo realizado por la regla del Trapezio

Hd = Radiación Solar diaria

Irradiación Global en Seguimiento (KWh/m2)

Temperatura (°C)

para la medición "n"

n = Número de medidas de radiación obtenidas

Irradiación Global en Seguimiento (KWh/m2)

8,3 (KWh/m2)

Radiación Difusa en seguimiento (kWh/m 2)

0,4 (KWh/m2)

Radiación Global Horizontal (kWh/m 2)

5,5 (KWh/m2)

2

Radiación Directa (kWh/m )

7,9 (KWh/m2)

Estimación Radiación Solar 900

800

700

600

500

400

300

200

100

0 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00

Radiación Global en seguimiento (W/m2)

Radiación Difusa en seguimiento (W/m2)

Radiación Global Horizontal (W/m2)

Radiación Directa (W/m2)