Escuela Profesional de Ingeniería Mecánica Eléctrica Energías Renovables II Energía Solar Docente: José Manuel Ramos Cutipa 2023 CONCEPTOS BÁSICOS SOBRE LA RADIACIÓN SOLAR Desde el punto de vista energético, cabe destacar que el sol es la fuente última de la energía solar, así como también lo es de casi todo resto de otras fuentes de energía renovables, y de todos los combustibles fósiles. De esta manera, se puede establecer una clasificación del aprovechamiento de la energía solar a través de medios: fototérmicos, fotovoltaicos, fotoquímicos y biomásicos. UNA APROXIMACIÓN ALSOL. El sol es un astro compuesto por gases a alta temperatura (plasma), básicamente por hidrógeno y helio, y con una masa total de aproximadamente 1,99 x 1030 kg. (unas 334.000 veces la masa de la tierra). Se calcula que tiene una antigüedad de unos 4.500-5.000 millones de años, y que va a seguir proporcionando energía durante 5.000-8.000 millones de años más antes de que se convierta en un cuerpo frío. Temperatura en el interior: 60 millones de °K en el núcleo. 6,000 °K en la superficie 2 millones de °K en la corona solar Intensidad de emisión superficial absoluta 3,76 ·1014 TW Diámetro del sol 1.392.000 km. Masa Solar 1,99 ·1030 kg. Temperatura de equilibrio en la superficie solar 5.776 K Composición en la capa exterior del sol 75% Hidrógeno 23% Helio 2% Otros gases Distancia tierra-sol 149.000.000 km LA CONSTANTE SOLAR. El sol pierde cada segundo 4,2 millones de toneladas de materia que se transforman en energía, ello representa una energía de: πΈ = ππ 2 = 4.2π₯109 πΎπΰ΅ 8π 2 26 π½ΰ΅ π . (3π₯10 Τπ ) = 3.78π₯10 π Esta energía se irradia por el espacio con simetría esférica en todas direcciones. Como es lógico, no toda la energía que emite el sol alcanza la tierra. En realidad, de los 3,78·1014 TW, tan sólo 173.000 TW son interceptados por el planeta. A pesar de ser una cantidad mucho menor a la disponible inicialmente, supera con creces el consumo máximo existente a nivel mundial. POTENCIA QUE RECIBE UNA SUPERFICIE DE 1m2 EN LA TIERRA, QUE SE HALLA PERPENDICULAR AL SOL. πππ‘πππππ πππππ’ππππ π ππ 3.78π₯1026 = = 1353 πΰ΅ 2 9 2 π ππ’ππππππππ ππ πéππππ 4π(149π₯10 ) Con este fin, bastará dividir la potencia emitida por el sol por los metros cuadrados de una hipotética esfera que envolviera al sol y que tuviera como radio la distancia tierra-sol (distancia del sol a la tierra 149.6 millones de kilómetros). De acuerdo al estándar ISO 14222, se recomienda usar el valor de 1366 W/m2. CONSTANTE SOLAR EXTRATERRESTRE : 1366 W/m2 LA RADIACIÓN SOLAR La radiación que recibimos del sol se compone exclusivamente de radiación electromagnética. La energía qué una onda puede transmitir está asociada a su frecuencia, por lo que a mayor frecuencia mayor energía será transmitida Todas las radiaciones electromagnéticas se propagan a igual velocidad, pero se pueden distinguir por su longitud de onda. No toda la radiación que se recibe del sol lo es en forma de luz visible (47%), sino también en forma de rayos infrarrojos (46%) y ultravioletas (7%). La ecuación siguiente conocida como la relación de Planck o ecuación de Plank-Eistein, muestra la relación entre la frecuencia y la energía de una onda electromagnética: πΈ = β.π Donde: E es la energía de la onda (expresada en Joules [J]) o electrón-volt [eV], f es la frecuencia (expresada en hertz [Hz] y h es la constante física de proporcionalidad, llamada constante de Planck, que vale aproximadamente 6.636 x 10 -34 [J.s]. La luz viaja con una velocidad constante por vació del espacio extraterrestre, la fórmula matemática que se muestra a continuación relaciona la frecuencia, la longitud de onda y la velocidad de la onda electromagnética: π = π. π en la que c es la velocidad de la luz en el vació (aproximadamente 300 000 km/s), λ es la longitud de onda (expresada en submúltiplos de metros) y f es la frecuencia de onda (en hertz). Esta energía electromagnética es captada por algunos materiales en forma térmica y otros en forma fotoeléctrica. E Pérdida de energía por colisiones Fotón Eft Cuanto de energía Banda de conducción (electrones libres) Banda prohibida Eg Banda de valencia (electrones ligados) x La luz como fotón Einstein en 1905 basándose en el trabajo de Planck propuso que la energía (E) relacionada con un fotón es: E = hf = hc/ λ (f = c/ λ ) En 1917 einstein fue mas allá, y a cada fotón le asigno un momento lineal de magnitud: p = h/λ En las ecuaciones anteriores f y λ son respectivamente, la frecuencia y la longitud de onda de la luz incidente, h es la constante de planck. h = 6.626 x 10- 34 J.s 1 eV = 1.6 x 10 -19 J Longitud de onda C 2.50E-07 5.00E-07 7.50E-07 1.00E-06 1.25E-06 1.50E-06 1.75E-06 2.00E-06 2.25E-06 2.50E-06 h 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 3.00E+08 J 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 6.63E-34 E(eV) 7.95E-19 3.98E-19 2.65E-19 1.99E-19 1.59E-19 1.33E-19 1.14E-19 9.94E-20 8.83E-20 7.95E-20 4.97 2.48 1.66 1.24 0.99 0.83 0.71 0.62 0.55 0.50 INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON LA ATMÓSFERA. Se sabe que cada cuerpo caliente emite radiación a su entorno. De acuerdo con la Ley de Radiación de Planck, la temperatura de la superficie determina el espectro de la radiación. En el caso del Sol, la temperatura de la superficie es de 5778 K, lo que conduce al Espectro del Cuerpo Negro idealizado que se muestra en la Figura 1 (línea discontinua). El espectro real medido fuera de la atmósfera de la Tierra (AM 0) sigue aproximadamente esta línea idealizada. El término AM 0 significa Masa de Aire 0 y significa que esta luz no ha pasado a través de la atmósfera. Si las cantidades individuales de este espectro se suman, entonces el resultado es una irradiancia de 1366 W/m2, que es la constante solar extraterrestre ya mencionada. CONSTANTE SOLAR TERRESTRE : 1000 W/m2 Tobajas Vázquez, M. C. (2014). Energía solar térmica para instaladores (4a. ed.).. Cano Pina. https://elibronet.bibliotecavirtualunap.remotexs.co/es/ereader/un apuno-biblioteca/43047?page=24 El espectro cambia cuando la luz solar atraviesa la atmosfera. Debido: • reflejo de la luz del sol él cual se refleja en la atmósfera y esto reduce la radiación que llega a la Tierra. • absorción de luz por las moléculas de O2, O3, H2O, CO2 entre otras. • dispersión de Rayleigh, efecto que se produce cuando la luz cae sobre partículas que son más pequeñas que la longitud de onda, depende en gran medida de la longitud de onda (∼1 / λ4), por lo que las longitudes de onda más cortas se dispersan considerablemente. • dispersión de aerosoles y partículas de polvo, se trata de partículas que son grandes en comparación con la longitud de onda de la luz, en este caso se usa la dispersión de Mie, esta forma de dispersión depende en gran medida de la ubicación, es mayor en áreas industriales y densamente pobladas Masa de aire. La radiación solar que llega al suelo de la Tierra sufre diversas alteraciones cuando atraviesa la atmosfera terrestre, debido al grosor de la capa de aire y la composición de la atmósfera, incluidos el aire y los elementos suspendidos, como el vapor de agua y polvo, el efecto es mayor, cuanto más largo es el camino de la luz, a este camino se le conoce como masa de aire (AM). Por esta razón, uno designa los diferentes espectros de acuerdo con la trayectoria de los rayos a través de la atmósfera, este camino depende del ángulo conocido como altura solar ( πΎ π ) π΄π = 1 sin πΎπ Valor de AM es una medida sin unidades de la longitud del camino de la luz a través de la atmósfera Si el sol está en su cenit (Zenit), AM es igual a 1, es decir, la luz pasa verticalmente a través de la atmósfera. El valor de AM fuera de la atmósfera es cero. Para el estudio y análisis de módulos fotovoltaicos, se ha establecido como espectro estándar el AM 1.5 Se ha tomado AM 1.5 como estándar porque la tecnología fotovoltaica surgió y se desarrolló en los países del hemisferio norte, principalmente en Europa y los Estados Unidos 1 π΄π = sin πΎπ Componentes de radiación captada. De la radiación solar que llega a la tierra, los captadores pueden emplear tres componentes: La directa, la difusa y la reflejada. La energía solar total incidente en un día completo puede superar los 8 kWh/m2 en un emplazamiento situado en unos 40º de latitud, con una mediana anual sobre una superficie horizontal de unos 4,5 kWh/m2. Reflectividad o Albedo (r). Es la radiación reflejada por la superficie de la tierra Irradiación – KWh/m2 Irradiancia – KW/m2 La irradiancia varia a lo largo de un día, como se puede apreciar en la Figura, la evaluación del área bajo la curva es la irradiación, energía radiante incidente por unidad de área, se mide en Wh/m2dia, se ha adoptado como valor estándar de irradiancia de 1000 W/m2, dividiendo irradiación entre el valor estándar de irradiancia se halla la hora solar pico (HSP), que expresa las horas efectivas que un captador estaría recibiendo una irradiancia estándar de 1000 W/m2 (Huallpa H., 2006). Medición de irradiancia en laboratorio EPIME – 23/10/2019 23/10/2019 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 05:00:00 05:28:48 05:57:36 06:26:24 06:55:12 07:24:00 07:52:48 08:21:36 08:50:24 09:19:12 09:48:00 10:16:48 10:45:36 11:14:24 11:43:12 -100 S er i es1 S er i es2 12:12:00 12:40:48 13:09:36 13:38:24 14:07:12 14:36:00 15:04:48 15:33:36 16:02:24 16:31:12 17:00:00 17:28:48 17:57:36 Medición de irradiancia en laboratorio EPIME – 31/10/2019 31/10/2019 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 05:00:00 05:28:48 05:57:36 06:26:24 06:55:12 07:24:00 07:52:48 08:21:36 08:50:24 09:19:12 09:48:00 10:16:48 10:45:36 11:14:24 11:43:12 -100 Series1 Series2 12:12:00 12:40:48 13:09:36 13:38:24 14:07:12 14:36:00 15:04:48 15:33:36 16:02:24 16:31:12 17:00:00 17:28:48 17:57:36 Medición de irradiancia en laboratorio EPIME – 13/10/2019 13/10/2019 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 05:00:00 05:28:48 05:57:36 06:26:24 06:55:12 07:24:00 07:52:48 08:21:36 08:50:24 09:19:12 09:48:00 10:16:48 10:45:36 11:14:24 11:43:12 -100 Series1 Series2 12:12:00 12:40:48 13:09:36 13:38:24 14:07:12 14:36:00 15:04:48 15:33:36 16:02:24 16:31:12 17:00:00 17:28:48 17:57:36 Distribución de frecuencia mes de octubre del 2019 W/m2 intervalo 0 [0 - 25] 50 [25 - 75] 100 [75 - 125] 150 [125 - 175] 200 [175 - 225] 250 [225 - 275] 300 [275 - 325] 350 [325 - 375] 400 [375 - 425] 450 [425 - 475] 500 [475 - 525] 550 [525 - 575] 600 [575 - 625] 650 [625 - 675] 700 [675 - 725] 750 [725 - 775] 800 [775 - 825] 850 [825 - 875] 900 [875 - 925] 950 [925 - 975] 1000 [975 - 1025] 1050 [1025 - 1075] 1100 [1075 - 1125] 1150 [1125 - 1175] 1200 [1175 - 1225] 1250 [1225 - 1275] 1300 [1275 - 1325] 1350 [1325 - 1375] 1400 [1375 - 1425] 1450 [1425 - 1475] 1500 [1475 - 1525] 1550 [1525 - 1575] Nro. datos registrados Distribución de frecuencia - PANEL1 1-Oct 2-Oct 3-Oct 4-Oct 5-Oct 6-Oct 7-Oct 8-Oct 9-Oct 10-Oct 11-Oct 12-Oct 13-Oct 14-Oct 15-Oct 16-Oct 17-Oct 18-Oct 19-Oct 20-Oct 21-Oct 22-Oct 23-Oct 24-Oct 25-Oct 26-Oct 27-Oct 28-Oct 29-Oct 30-Oct 31-Oct Muestras 964 13608 7343 7969 7121 6616 7778 6755 8690 7810 7570 7587 11408 6730 0 7476 7280 13557 0 5434 7607 7358 7417 7090 7239 6529 0 7194 5334 0 7363 204827 2448 2308 5423 5673 3501 1259 1043 1859 425 328 487 464 5448 1137 0 2511 2640 2709 0 2526 1028 3662 434 678 557 1701 0 1110 2139 0 2458 55956 4034 2684 4017 4866 1592 990 908 1679 1054 1219 1272 1457 775 1355 0 1657 3460 4203 0 2313 786 2640 1408 2263 1418 1145 0 1162 1101 0 2754 54212 2484 2088 2149 3432 1795 1155 1512 1279 1460 1317 1363 2235 2581 3549 0 4193 2548 4450 0 2961 1280 1592 1381 838 1276 1405 0 1291 1341 0 1677 54632 724 2122 1323 3177 1878 1371 1481 764 1272 1274 1540 1757 2371 2134 0 4772 3026 3044 0 2990 1192 1339 1263 1349 1891 2087 0 1391 1523 0 1115 50170 1352 2922 2793 1796 2384 1119 1182 792 1074 1209 955 1510 2009 2004 0 2686 1702 3761 0 1635 1122 959 1240 1186 1066 1591 0 1299 1522 0 840 43710 1962 3201 3047 2977 3057 1224 1103 1258 1074 1251 1159 1426 1592 1569 0 1912 1380 4263 0 1869 1453 1007 1286 1377 1119 1603 0 1224 1724 0 824 46941 1626 1752 2533 3986 2108 1824 1292 1234 1327 1221 1236 1329 1147 1142 0 1351 1110 1770 0 2103 1245 912 1217 1166 1314 1605 0 1293 1265 0 835 40943 930 1560 1723 3106 1805 938 1558 1221 1122 1218 1591 1335 1014 1445 0 1092 1259 806 0 2226 1263 1212 1238 1127 1220 1215 0 1208 2114 0 854 37400 815 1646 1929 1393 1786 1154 1298 1305 1263 1274 1408 1328 935 975 0 1065 1177 516 0 1643 1324 1417 1343 1406 1137 1020 0 1116 2367 0 953 34993 932 962 1534 1003 1786 1925 1193 1308 1266 1289 1559 1483 766 792 0 1046 816 1240 0 855 1170 1142 1290 1259 1224 1789 0 2200 1822 0 1039 34690 684 445 1470 503 898 1864 1828 1346 1340 1348 1070 1453 983 806 0 1205 1008 828 0 865 1369 1092 1360 1387 1343 1060 0 2352 2005 0 1168 33080 714 522 1114 459 973 1532 1165 1398 1409 1431 1235 1271 917 755 0 993 624 678 0 1848 1492 950 1463 1740 1223 1056 0 1413 2662 0 926 31963 737 388 680 343 1346 1646 1556 1481 1431 1470 1221 1412 726 871 0 949 709 521 0 1964 1556 1468 1511 1285 2109 831 0 1741 1332 0 1417 32701 578 353 561 336 1357 1121 1364 1575 1519 1518 1303 1697 1001 1053 0 981 1196 351 0 887 1525 1237 1613 2109 1603 2558 0 1825 1968 0 1988 35177 486 351 518 315 454 1085 1267 1583 1614 1623 1630 1093 563 1710 0 768 1256 400 0 852 1723 854 1612 814 1868 1623 0 2126 2362 0 1840 32390 413 450 748 460 534 1292 1613 1809 1739 1670 1665 1678 865 1960 0 1752 2002 334 0 419 1908 1113 1856 1951 1403 1149 0 2685 1211 0 1609 36288 444 467 679 496 296 1769 2341 1989 1879 1983 1956 1686 762 1860 0 1594 1407 267 0 675 1887 1136 1936 2008 3150 2225 0 2220 1122 0 2014 40248 379 1304 618 495 311 2757 2938 1997 2109 2323 2109 1869 804 2166 0 1510 1355 183 0 2531 2127 2028 2249 2849 2757 1801 0 2080 591 0 2829 47069 284 679 986 535 429 3024 1808 2748 2690 2324 2443 2038 1343 2306 0 1787 2379 293 0 2723 2907 2917 2624 2729 2326 2387 0 1435 1466 0 3327 52937 200 390 981 639 1059 1981 1662 3822 3355 3003 3798 2366 1561 5881 0 1793 2330 305 0 2259 3494 3418 3606 2824 3076 3459 0 2258 1848 0 2480 63848 193 617 1223 669 4859 5398 4843 7578 7005 5839 5970 5534 2366 4457 0 607 1461 188 0 2826 7344 6429 6117 7089 3624 4559 0 2729 1896 0 4427 105847 143 1768 499 615 3911 3654 4048 0 509 2858 2261 2429 2963 143 0 428 2579 538 0 2074 0 920 1337 277 2858 2222 0 3157 2051 0 645 44887 249 2257 677 457 1352 78 0 0 0 0 0 327 1874 0 0 609 1723 472 0 306 0 0 0 0 0 182 0 258 976 0 311 12108 144 1078 396 321 187 6 0 0 0 0 0 18 28 0 0 1958 374 354 0 18 0 0 0 0 0 0 0 34 2823 0 206 7945 210 552 765 385 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 106 1 351 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 235 0 225 2830 37 221 553 192 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 348 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 193 1544 2 88 236 130 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 66 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 297 819 0 18 167 51 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 152 394 0 0 101 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 30 131 0 0 15 0 0 0 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675] 625 675 1511 982150 0.27 [675 - 725] 675 725 1613 1129100 0.31 [725 - 775] 725 775 1612 1209000 0.34 [775 - 825] 775 825 1856 1484800 0.41 [825 - 875] 825 875 1936 1645600 0.46 [875 - 925] 875 925 2249 2024100 0.56 [925 - 975] 925 975 2624 2492800 0.69 [975 - 1025] 975 1025 3606 3606000 1.00 [1025 - 1075] 1025 1075 6117 6422850 1.78 [1075 - 1125] 1075 1125 1337 1470700 0.41 [1125 - 1175] 1125 1175 0 0 0.00 [1175 - 1225] 1175 1225 0 0 0.00 [1225 - 1275] 1225 1275 0 0 0.00 [1275 - 1325] 1275 1325 0 0 0.00 [1325 - 1375] 1325 1375 0 0 0.00 [1375 - 1425] 1375 1425 0 0 0.00 [1425 - 1475] 1425 1475 0 0 0.00 [1475 - 1525] 1475 1525 0 0 0.00 Nro. Datos: 46801 HSP 7.66 BARCELONA (41.40N; 2.17E) Air temperature Relative humidity Daily solar radiation horizontal Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature °C % kWh/m2/d kPa m/s °C January 9.4 64.3% 2.09 99.0 4.3 9.5 February 9.7 62.2% 3.13 99.0 4.4 10.0 March 11.3 61.2% 4.31 98.8 4.3 12.0 April 13.0 60.5% 5.33 98.5 4.0 14.1 May 16.3 62.5% 6.00 98.6 3.2 17.9 June 20.2 58.8% 6.69 98.8 3.0 22.1 July 22.9 57.7% 6.80 98.8 3.1 24.8 August 23.2 60.5% 5.81 98.7 3.2 25.1 September 20.8 59.5% 4.56 98.8 3.1 22.3 October 17.7 62.9% 3.11 98.8 3.5 18.4 November 13.2 63.1% 2.14 98.7 4.2 13.6 December 10.6 64.7% 1.77 99.0 4.3 10.7 15.7 61.5% 4.31 98.8 3.7 16.7 Month Annual PUNO (-15.84; -70.05) Air temperature Relative humidity Daily solar radiation horizontal Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature °C % kWh/m2/d kPa m/s °C January 8.4 78.8% 5.84 64.0 2.6 12.1 Febr. 8.3 79.1% 5.84 64.1 2.7 11.6 March 8.1 77.2% 5.66 64.1 2.6 11.5 April 7.2 74.0% 5.65 64.1 2.7 10.6 May 5.8 59.5% 5.63 64.2 3.0 9.2 June 4.5 52.8% 5.39 64.2 3.2 7.7 July 4.1 48.0% 5.57 64.2 3.4 7.8 August 5.4 48.8% 5.94 64.2 3.2 9.9 Sept. 6.7 54.9% 6.49 64.1 3.2 11.8 October 8.1 58.2% 6.84 64.1 3.0 13.4 Nov. 8.7 64.0% 7.01 64.0 2.9 13.9 Dec. 8.8 72.3% 6.50 64.0 2.8 13.2 7.0 64.0% 6.03 64.1 2.9 11.1 Month Annual LIMA (-12.07; -77.05) Air temperature Relative humidity Daily solar radiation horizontal Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature °C % kWh/m2/d kPa m/s °C January 19.9 87.5% 7.24 96.0 3.8 21.8 Febr. 20.6 87.8% 7.32 95.9 3.7 22.2 March 20.2 87.9% 7.14 95.9 3.6 21.5 April 19.3 85.9% 6.35 95.9 3.8 19.8 May 18.9 80.3% 4.94 96.0 4.3 18.4 June 18.6 75.4% 3.40 96.0 4.9 17.6 July 18.4 73.2% 3.10 96.1 4.9 17.2 August 17.6 74.9% 3.49 96.1 4.8 16.6 Sept. 16.9 79.1% 4.35 96.1 4.7 16.6 October 16.6 83.0% 5.34 96.0 4.2 17.2 Nov. 17.0 84.8% 6.09 96.0 4.1 18.3 Dec. 18.5 86.1% 6.83 96.0 4.0 20.1 18.5 82.2% 5.47 96.0 4.2 18.9 Month Annual ESTOCOLMO (59.33; 18.07) Air temperature Relative humidity Daily solar radiation horizontal Atmospheric pressure Wind speed Earth temperature °C % kWh/m2/d kPa m/s °C January -1.8 80.3% 0.40 100.8 6.0 -1.7 Febr. -1.9 78.0% 1.07 100.9 5.5 -2.0 March 0.5 74.5% 2.44 101.0 5.3 0.2 April 4.7 68.2% 4.08 101.2 5.0 4.2 May 10.0 61.0% 5.60 101.3 4.8 9.4 June 14.4 63.1% 5.86 101.0 4.6 14.1 July 17.4 64.9% 5.59 101.0 4.4 17.5 August 16.9 66.9% 4.38 101.0 4.5 17.0 Sept. 12.4 70.7% 2.83 101.0 5.2 12.5 October 7.5 76.2% 1.33 100.9 5.6 7.5 Nov. 2.6 80.2% 0.55 101.0 5.7 2.8 Dec. -0.6 81.6% 0.25 100.9 5.8 -0.4 6.9 72.1% 2.86 101.0 5.2 6.8 Month Annual https://power.larc.nasa.gov/data-access-viewer/