Solar Radiation Components

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Y RADIACIÓN SOLAR
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS

COMPONENTES DE LA RADIACIÓN SOLAR GLOBAL
RADIACIÓN
SOLAR GLOBAL
RADIACIÓN DIRECTA
RADIACIÓN DIFUSA
RADIACIÓN REFLEJADA

RADIACIÓN SOLAR GLOBAL
La RADIACIÓN SOLAR DIRECTA. Proviene directamente del Sol. Es la que llega
a la atmósfera sin haber sufrido dispersión alguna en su trayectoria al
atravesar la atmósfera. Este tipo de radiación se caracteriza por proyectar una
sombra definida de los objetos opacos que la interceptan.
La RADIACIÓN SOLAR DIFUSA. Es la recibida de la atmósfera como
consecuencia de la dispersión de parte de la radiación del sol en la misma.
Esta energía puede suponer aproximadamente un 15% de la radiación global
en los días soleados.
•La RADIACIÓN REFLEJADA. Es como su propio nombre indica, aquella
reflejada por la superficie terrestre. La cantidad de radiación depende del
coeficiente de reflexión de la superficie, también llamado albedo.

FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL FLUJO DE RADIACIÓN DIRECTA
-CONSTANTE SOLAR. A mayor magnitud de la Cte. Solar, mayor radiación
directa incidirá en la superficie terrestre.
-ALTURA DEL SOL SOBRE EL HORIZONTE. A mayor ángulo de elevación solar,
la radiación solar incide de modo más perpendicular sobre la superficie
terrestre, disminuyendo la componente tangencial a dicha superficie. Por
tanto, en el periodo estival, la Radiación Solar Directa suele ser mayor.
-TRANSPARENCIA ATMOSFÉRICA EN PRESENCIA DE GASES, NUBES Y NIEBLA.
La presencia de partículas de polvo y vapor de agua favorece la dispersión
de la radiación .

ORIGEN DE LA
DIFUSIÓN DE LA
RADIACIÓN SOLAR
EN LA ATMÓSFERA
DIFUSIÓN POR
PARTÍCULAS DE AIRE
DIFUSIÓN POR
PARTÍCULAS DE POLVO
DIFUSIÓN POR EL
VAPOR DE AGUA

-La DIFUSIÓN se puede definir como el mecanismo por el cual la radiación
electromagnética es reflejada o refractada por gases o partículas situados en la
atmósfera. De este modo disminuye la radiación directa y aumenta la difusa.
-Las SUPERFICIES HORIZONTALES son las que más radiación difusa reciben, ya
que "ven" toda la semiesfera celeste, mientras que las SUPERFICIES VERTICALES
reciben menos radiación de este tipo porque solo "ven" la mitad de la
semiesfera celeste.

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Y RADIACIÓN SOLAR.
FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL FLUJO DE RADIACIÓN DIFUSA
-NUBOSIDAD. Aumenta con la presencia de capas de nubes blancas relativamente
delgadas.
-ALTURA SOBRE EL NIVEL DEL MAR. Al aumentar la altura, el aporte de la radiación
difusa es menor debido a que disminuye el espesor de las capas difusoras en la
atmósfera.
-CANTIDAD DE PARTÍCULAS EN LA ATMÓSFERA. A mayor cantidad de partículas,
mayor es la componente difusa. Por tanto, aumenta con la contaminación.
-ALTURA DEL SOL SOBRE EL HORIZONTE. A mayor altura, mayor es el flujo de la
radiación difusa.

La radiación difusa se genera cuando
la radiación solar que alcanza la
superficie de la atmósfera de la Tierra
se dispersa de su dirección original a
causa de moléculas y partículas
presentes en la atmósfera.
Del total de luz removida por
dispersión en la atmósfera (aprox.
25% de. un la radiación incidente),
cerca de 2/3 finalmente llegan a la
tierra como radiación difusa.

RADIACIÓN DIFUSA
ELEVACIÓN SOLAR
CONCENTRACIÓN DE
PARTÍCULAS EN EL AIRE
ALTURA SOBRE EL
NIVEL DEL MAR

Fuente: DGS, Leitfaden Photovoltaische Anlagen (Guía para Instalaciones de Energía
Fotovoltaica).

-La RADIACIÓN SOLAR REFLEJADA es, la que llega a una superficie después de haber
sufrido la reflexión en el suelo o en otros objetos (fachadas de edificios, nubes,
etc.…).
-Las SUPERFICIES HORIZONTALES no reciben ninguna radiación reflejada, porque no
"ven" superficie terrestre, mientras que las SUPERFICIES VERTICALES son las que
más reciben.
-La cantidad de radiación depende del COEFICIENTE DE REFLEXIÓN DE LA SUPERFICIE,
también llamado ALBEDO.
FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL FLUJO DE RADIACIÓN REFLEJADA

ALBEDO DE LA RADIACIÓN SOLAR. Es la relación o el porcentaje de la radiación solar
reflejada por la Tierra (comprendida la atmósfera) respecto a la radiación solar
incidente. Las superficies claras tienen valores de albedo superiores a las oscuras, y
las brillantes más que las mates. El albedo medio de la tierra es aproximadamente
del 30% respecto a la radiación solar incidente.

•Cuando el ALBEDO ES ALTO, la Tª en el planeta tiende a descender debido a que la
radiación del sol, en su mayor parte, no es absorbida, sino reflejada.
•Si el ALBEDO ES BAJO, el planeta se calienta: el porcentaje de radiación solar que
absorbe la superficie es muy alto.
-En zonas de nieves perpetuas o
hielos, como en los polos, el albedo es
muy alto porque la nieve y el hielo
reflejan prácticamente toda la
radiación solar. Los bosques tienen
albedo bajo porque el color verde
absorbe mucha radiación y por tanto
no reflejan casi la luz del sol.

• Cuando el albedo es alto, la temperatura en el planeta tiende a descender debido a
que la radiación del sol, en su mayor parte, no es absorbida, sino reflejada. En
cambio, si el albedo es bajo, el planeta se calienta: el porcentaje de radiación solar
que absorbe la superficie es muy alto.
• Una curiosidad al respecto de este efecto que estamos abordando se produce en
tierras de Andalucía. En concreto, en ellas, desde tiempos inmemoriales, es
tradicional que las fachadas de las casas se pinten de color blanco.
• De esta forma, el coeficiente de albedo es alto consiguiéndose, por tanto, reflejar
la luz y regular el calor, especialmente en las épocas de verano cuando las
temperaturas son muy elevadas.

En Cáceres, en un día medio de marzo, la energía directa supone 2,09 Kwh/m2,
mientras que la energía difusa es 1,91 Kwh/m2, es decir, la difusa es un 48% del
total, mientras que en un día medio de agosto, la directa supone 6,00 Kwh/m2,
mientras que la difusa es 2,08 Kwh/m2, en este caso, un porcentaje del 25%. Esto
se debe a que en agosto está menos nublado que en Marzo.
El Gráfico de la izquierda
muestra la descomposición de
la radiación solar en directa,
difusa y reflejada hasta su
incidencia en la superficie del
módulo fotovoltaico (sistema
de captación).

-Los colectores solares planos, por ejemplo, captan la radiación total (directa +
difusa), sin embargo, los colectores de concentración sólo captan la radiación
directa.
-
-Por esta razón, los colectores de concentración suelen situarse en zonas de muy poca
nubosidad y con pocas brumas, en el interior, alejadas de las costas.
-Los colectores solares planos pueden colocarse en cualquier lugar, siempre que la
insolación sea suficiente.

-La RADIACIÓN SOLAR GLOBAL es la suma de la radiación directa, la reflejada y
la radiación solar difusa que llegan a la superficie. En un día despejado, la
radiación directa es preponderante sobre la radiación difusa. Por el contrario,
en un día nublado no hay radiación directa y la totalidad de la radiación que
incide es difusa.
RADIACIÓN GLOBAL=RAD. DIRECTA+RAD. DIFUSA+RAD. REFLEJADA

TÉRMINOS RELACIONADOS CON LA RADIACIÓN SOLAR
-IRRADIANCIA SOLAR (DENSIDAD DE FLUJO RADIANTE): Es la energía que incide sobre
una superficie por unidad de tiempo y área. Describe la potencia incidente por
unidad de superficie. Se representa por E y se mide en w/m2.
La irradiancia máx. que llega a la
superficie terrestre es de 1.100
w/m2, pero es difícil medir valores
que superen los 1.000 w/m2. En el
espacio exterior alcanza los 1.370
w/m2. La atm. atenúa el 30%.

-CONSTANTE SOLAR: Cantidad de energía recibida en forma de radiación solar
por unidad de tiempo y unidad de superficie, medida en la parte externa de la
atmósfera en un plano perpendicular a los rayos. Los resultados de su
medición por satélites indican un valor promedio de 1.370 W/m².

-IRRADIACIÓN SOLAR SOBRE UNA SUPERFICIE: Es el valor acumulado de la irradiancia
en un determinado tiempo, habitualmente tomado en un día. Corresponde a la
energía recibida por unidad de superficie y se mide en J/m2 o en kW·h/m2.
-
-HORAS PICO SOLAR (H.S.P.): Para facilitar el proceso de cálculo en las instalaciones
fotovoltaicas, se emplea un concepto relacionado con la radiación solar, que
simplifica el cálculo de las prestaciones energéticas de este tipo de instalaciones, son
las “horas sol pico” (H.S.P.).
Se denomina H.S.P. al número de horas diarias que con una irradiancia solar ideal de
1000 W/m² proporciona la misma irradiación solar total que la real de ese día.
TÉRMINOS RELACIONADOS CON LA RADIACIÓN SOLAR

-Dada la radiación de la ciudad de Almería para el mes de Agosto G(30º)=6.230
(wh/(m2 ·día)). Determinar la relación entre G(30º) y su equivalente en
cal/(cm2·día).
𝟏𝒘 ∙ 𝒉 = 𝟏𝒘 ∙ 𝟏𝒉 ∙
𝟑. 𝟔𝟎𝟎𝒔
𝟏𝒉
= 𝟑, 𝟔 ∙ 𝟏𝟎 𝟑
𝒘 ∙ 𝒔 = 𝟑, 𝟔 ∙ 𝟏𝟎 𝟑
𝑱
𝟔, 𝟐𝟑𝟎
𝒌𝒘𝒉
𝒎 𝟐 ∙ 𝒅í𝒂
= 𝟔, 𝟐𝟑
𝟑, 𝟔 ∙ 𝟏𝟎 𝟔
𝑱
𝒎 𝟐 ∙ 𝒅í𝒂
𝟎, 𝟐𝟒 𝒄𝒂𝒍
𝟏𝑱
𝒎 𝟐
𝟏𝟎 𝟒 ∙ 𝒄𝒎 𝟐
= 𝟓𝟑𝟖, 𝟑
𝒄𝒂𝒍
𝒅í𝒂 ∙ 𝒎 𝟐

Utilizando la anterior definición y la relación entre las diversas unidades,
determinar:
-Las H.S.P. equivalentes para un determinado día en el que se ha medido una
energía solar incidente de 3.800 Whig en un m2.
-Las H.S.P. equivalentes para un determinado día en el que se ha medido una
energía solar incidente de 22MJ en un m2.
𝟑. 𝟖𝟎𝟎
𝑾 ∙ 𝒉
∙
𝟏
𝟏. 𝟎𝟎𝟎
𝒘
𝒎 𝟐
= 𝟑, 𝟖
𝑯. 𝑺. 𝑷.
𝒅í𝒂
𝟐𝟐
𝑴𝑱
=
𝟐𝟐 · 𝑴𝑱
∙
𝒌𝒘𝒉
𝟑, 𝟔 ∙ 𝑴𝑱
∙
𝟏
𝟏. 𝟎𝟎𝟎
𝒘
𝒎 𝟐
= 𝟔, 𝟏𝟏
𝑯. 𝑺. 𝑷.
𝒅í𝒂

-FACTOR DE MASA DE AIRE (AIR MASS O A.M.): Es la magnitud que mide la influencia
relativa del espesor de la capa de aire sobre la radiación solar directa al travesar la
atmósfera.
Cuanto mayor es el camino que ha de recorrer la radiación por la atmósfera más se
reduce la intensidad de radiación solar.
-
-Si denominamos ɸ al ángulo formado entre la posición del Sol y la vertical sobre un
punto de la tierra (ángulo cenital), su valor se calcula como:
𝑨. 𝑴. =
𝟏
𝒄𝒐𝒔𝝋

EXPLICACIÓN GRÁFICA DEL CONCEPTO FACTOR DE MASA DE AIRE.

- Un método sencillo para determinar la masa de aire es la sombra de un poste
vertical:
- La Masa de Aire se calcula dividiendo la longitud de la hipotenusa ,dividida entre
la altura del objeto h (m.).

-ÁNGULO DE AZIMUT (α): Ángulo de acimut, α definido como el ángulo entre la
proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el
meridiano del lugar. Valores típicos son 0º para módulos orientados al sur, -90º
para módulos orientados al este y +90º para módulos orientados al oeste.
-ÁNGULO DE INCLINACIÓN (β): Ángulo que forma la superficie de los módulos con el
plano horizontal. Su valor es 0º para módulos horizontales y 90º para verticales.

-MOVIMIENTO TERRESTRE Y RADIACIÓN SOLAR. Nuestro planeta realiza un
movimiento de traslación siguiendo una órbita elíptica alrededor del Sol en la que el
Sol ocupa uno de los focos.
-La ECLÍPTICA es el plano que contiene la órbita terrestre. La Tierra tarda un año en
recorrerlo por completo.

-Resulta muy útil suponer que es el Sol el que gira alrededor de la Tierra
describiendo una órbita aproximadamente circular dentro de la esfera
celeste y cuyo centro se sitúa en La Tierra. Bajo esta suposición, el Sol se
eleva todos los días desde el Este y describe en el Cielo un arco más o
menos amplio, según la época del año, en su desplazamiento Este-Oeste.

-ALTITUD SOLAR / ÁNGULO DE ELEVACIÓN SOLAR. Es el ángulo entre
una línea recta trazada desde el punto del observador y su proyección
sobre el plano horizontal (También se puede definir como el ángulo o
arco que forma una recta con el plano horizontal). Esto es, el ángulo
entre la dirección del sol y el horizonte ideal.

-TRAYECTORIA DIURNA DEL SOL. Varía en las diferentes épocas del año. En el
Hemisferio Norte el día del equinoccio de primavera (21 de Marzo) y el del
equinoccio (21 de Sept.) el Sol recorre el ecuador saliendo exactamente por el
este y poniéndose exactamente por el Oeste.
-En los dos equinoccios la duración del día es exactamente igual a la de la noche
en todo el planeta, estando el Sol 12 horas sobre el horizonte y con una declinación
solar igual a cero.
-DECLINACIÓN SOLAR (δ): Se define como el ángulo formado por la línea que une
los centros de la Tierra y el Sol y su proyección sobre el Ecuador.

ÁNGULOS DE ELEVACIÓN SOLAR EN SOLSTICIOS Y EQUINOCCIOS

-El día del SOLSTICIO DE INVIERNO (21 de Dic.) acontece cuando el Sol
presenta una declinación mínima de -23,5º. Este día en el hemisferio Norte el
Sol culmina más bajo, dando al mediodía la sombra más larga del año.
-El día del SOLSTICIO DE VERANO (21 de Jun.) presenta un máximo en la
declinación solar, alcanzando sobre el Ecuador un ángulo de 23,5º. A partir
de ese día y hasta el Equinoccio de Otoño (22 de Sept.) la declinación solar
disminuye hasta anularse.
-SOLSTICIO: En los solsticios, el eje se encuentra inclinado 23,5º, por lo que los
rayos solares caen verticalmente sobre el trópico de Cáncer (verano en el
hemisferio norte) o de Capricornio (verano en el hemisferio sur).

-EQUINOCCIO: En el caso del equinoccio, el sol se encuentra sobre el
plano del ecuador, por lo que el día y la noche en ambos hemisferios
tienen la misma duración.

-ORIENTACIÓN DEL CAMPO SOLAR: La ORIENTACIÓN de los paneles
fotovoltaicos en instalaciones que no usan mecanismos de seguimiento solar,
debe ser hacia el Sur en el hemisferio Norte. La pérdida de potencia
fotovoltaica por grado de desviación respecto a la orientación Sur son de
alrededor de -0,2%/C. En instalaciones situadas en el Hemisferio Sur la
orientación adecuada es hacia el hemisferio Norte.
-La orientación ideal en instalaciones fijas
fotovoltaicas es siempre hacia el Sur
(hemisferio Norte).
-Esto implica que el ángulo de azimut (α)
sea nulo→α=0º.

-Una inclinación comprendida entre 10º y 20º mayor que la latitud para
instalaciones de uso prioritario en Invierno (unos 60º de inclinación para optimizar
la energía generada en Diciembre/Enero). El ángulo de inclinación indicado es el
más habitual en la electrificación de viviendas de viviendas aisladas, donde los
meses más críticos para el diseño son los de Invierno.
-Una inclinación igual a la latitud para instalaciones de uso prioritario en primavera
o verano. Una inclinación 10º inferior a la latitud para instalaciones de uso todo el
año. Suele ser la elegida en instalaciones de uso durante todo el año.
-Una inclinación 20º menor que la latitud para instalaciones de uso prioritario en
Verano.
ÁNGULO DE INCLINACIÓN DE MÓDULO FOTOVOLTAICO

-EJEMPLO PRÁCTICO:
Utilizando los datos de la base de datos PVGIS se desea determinar que
pérdida de potencia tendremos respecto de la máxima obtenible en una
instalación fotovoltaica de conexión a red de 20 Kwp que se ha instalado con
una inclinación fija de 50º (Valencia) respecto a la horizontal dado que la zona
de ubicación es muy polvorienta.
-RESPUESTA:
Observando la tabla de H.S.P. para diferentes inclinaciones, se determinan el
número de las H.S.P. máximas se obtienen para una inclinación de 35º. Para un
ángulo de inclinación de β=50º de inclinación el valor obtenido es de 1.700
H.S.P., tal y como se resume en la tabla adjunta.

Se determinan el número de las H.S.P. máximas y se obtienen para una
inclinación de 35º. Para un ángulo de inclinación de β=50º de inclinación el
valor obtenido es de 1.700 H.S.P., tal y como se resume en la tabla adjunta:
La potencia que realmente tendremos disponible sobre su valor máximo
alcanzable si la inclinación fuera la óptima es del:
𝑷𝑹 𝑰𝑵𝑪𝑳 =
𝟏. 𝟔𝟗𝟗
𝟏. 𝟕𝟓𝟏
= 𝟎, 𝟗𝟕 = 𝟏 − 𝑳 𝑰𝑵𝑪𝑳 → 𝑷𝑹 𝑰𝑵𝑪𝑳 = 𝟗𝟕%

-El problema de los sombreados parciales de los módulos fotovoltaicos
situados en otras filas afecta de distinta forma a los módulos de silicio
cristalinos que a los de capa delgada (amorfos, CIS, etc…). Las células de
todos los módulos están conectadas en serie. La forma geométrica de
todos las células de silicio cristalino es habitualmente cuadrada,
ubicándose en forma de ramales.
-Una sombra parcial producida en la parte inferior de un módulo de silicio
cristalino puede sombrear rápidamente una gran superficie del módulo
fotovoltaico.
-La misma área sombreada en módulo de capa delgada tiene un efecto
mucho menor, dado la disposición de las células.
SOMBRAS SOBRE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS

Los fabricantes de módulos de capa delgada incluyen esta particularidad
como algo beneficioso que puede resultar interesante en espacios
reducidos donde se quiera aumentar el número de módulos instalados.
A pesar de que en algunos momentos se proyecten sombras de unas
filas sobre las siguientes.
SOMBREADO EN DIVERSAS TECNOLOGÍAS FOTOVOLTAICAS

UN ÁNGULO DE ELEVACIÓN SOLAR BAJO (INVIERNO) PRODUCE SOMBRAS ALARGADAS.

UN ÁNGULO DE ELEVACIÓN SOLAR ALTO (VERANO) PRODUCE SOMBRAS RECORTADAS

-
-SOMBRAS SOBRE MÓDULOS.
Si existiera sombreado de la manera indicada, los paneles fotovoltaicos
estarían mejor colocados como se indica en la siguiente figura (el sombreado
de la parte inferior solo tiene efecto sobre una parte del módulo protegida
por su diodo de bypass y el resto de células sigue trabajando en las mismas
condiciones).
SOMBREADO EN MÓDULO c-Si QUE AFECTA A UNA RAMA Y A UN DIODO.

-
-DISTANCIA MÍNIMA ENTRE FILAS DE MÓDULOS.
Hay que dejar una distancia mínima al elemento que pueda producir un
sombreado en los paneles solares. La posibilidad de darse sombra en Verano
es mucho menor, ya que el recorrido del sol es mucho más alto, y por tanto, la
sombra arrojada del obstáculo que haya delante es más pequeña.
La distancia “d”, medida sobre la horizontal, que hay que dejar viene marcada
por la latitud del lugar de instalación, ya que en función de este parámetro varía
el ángulo de incidencia solar. Esta distancia deberá garantizar un mínimo de
cuatro horas de sol en torno al mediodía del solsticio de invierno.

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