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:
𝐸 = 𝑚𝑐 2 = 4.2𝑥109
𝐾𝑔ൗ
8𝑚
2
26 𝐽ൗ
𝑠 . (3𝑥10 Τ𝑠 ) = 3.78𝑥10
𝑠
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.
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑠𝑜𝑙
3.78𝑥1026
=
= 1353 𝑊ൗ 2
9
2
𝑚
𝑆𝑢𝑝𝑒𝑟𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒 𝑒𝑠𝑓é𝑟𝑖𝑐𝑎
4𝜋(149𝑥10 )
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:
𝐸 = ℎ.𝑓
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:
𝑐 = 𝜆. 𝑓
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 ( 𝛾 𝑠 )
𝐴𝑀 =
1
sin 𝛾𝑠
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
𝐴𝑀 =
sin 𝛾𝑠
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
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12:12:00
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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
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2
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0 46802 46802 46802 46801 46801 46801 46802
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1500
Distribución de frecuencia día 23/10/2019 - PANEL 1
intervalo
Lim Inf
Lim Sup
frecuencia
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pressure
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Earth
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m/s
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June
20.2
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3.0
22.1
July
22.9
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3.1
24.8
August
23.2
60.5%
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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/