Sistemas fotovoltaicos y radiacion solar

SISTEMAS FOTOVOLTAICOS Y RADIACIÓN SOLAR
INTRODUCCIÓN Y CONCEPTOS BÁSICOS

RADIACIÓN
SOLAR GLOBAL
RADIACIÓN DIRECTA
RADIACIÓN DIFUSA
RADIACIÓN
REFLEJADA
RADIACIÓN
DIRECTA
RADIACIÓN
DIFUSA
RADIACIÓN
REFLEJADA
RADIACIÓN
GLOBAL

RADIACIÓN SOLAR DIRECTA
-Proviene directamente del sol.
-Llega a la atmósfera sin sufrir dispersiones en su trayectoria.
-Proyecta una sombras definidas de los objetos opacos que la
interceptan.

RADIACIÓN SOLAR DIFUSA
-Recibida de la atmósfera como consecuencia de la dispersión de parte de
la radiación del sol en la misma.
-La difusión es el mecanismo por el cual la radiación electromagnética es
reflejada o refractada por gases o partículas situados en la atmósfera.
-Puede suponer aproximadamente un 15% de la radiación global en los
días soleados.

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

FACTORES QUE
INFLUYEN EN LA
RADIACIÓN DIFUSA
INCIDENTE EN UNA
SUPERFICIE
ELEVACIÓN SOLAR
CONCENTRACIÓN DE
PARTÍCULAS EN EL AIRE
ALTURA SOBRE EL NIVEL
DEL MAR
NUBOSIDAD

-ALTURA DEL SOL SOBRE EL HORIZONTE. A mayor altura, mayor es el flujo de la
radiación difusa.
-CANTIDAD DE PARTÍCULAS EN LA ATMÓSFERA. A mayor cantidad de
partículas, mayor es la componente difusa. Por tanto, aumenta con la
contaminación.
-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.
FACTORES DE LOS QUE DEPENDE EL FLUJO DE RADIACIÓN DIFUSA

DIFUSIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR
-Las superficies horizontales son las que más radiación difusa
reciben, ya que "ven" toda la semiesfera celeste.
-Las superficies verticales reciben menos radiación de este tipo
porque solo "ven" la mitad de la semiesfera celeste.

RADIACIÓN SOLAR REFLEJADA
-Aquella reflejada por la superficie terrestre.
-La cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la
superficie, también llamado albedo.
-El albedo terrestre, su capacidad de reflejar la energía, es de
alrededor de un 0,3. Un 30% de los 342 w/m2 que se reciben son
devueltos al espacio por la reflexión de la tierra.

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.

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

-ALBEDO DE LA RADIACIÓN SOLAR.
% de la radiación solar reflejada
por la Tierra y 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 de la tierra es del 30%
respecto a la radiación incidente.

-En zonas de nieves perpetuas o
hielos, como en los polos, el albedo
es muy alto pues la nieve y el hielo
reflejan casi toda la radiación solar.
-Un bosque tiene albedo bajo pues el
verde absorbe mucha radiación.

MAGNITUD DEL ALBEDO
-Si 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.

• 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, captan la radiación total (directa + difusa).
-Los COLECTORES DE CONCENTRACIÓN sólo captan la radiación directa.
-Los COLECTORES SOLARES PLANOS pueden colocarse en cualquier lugar, siempre que
la insolación sea suficiente.
-Los COLECTORES DE CONCENTRACIÓN suelen situarse en zonas de muy poca
nubosidad y con pocas brumas, en el interior, alejadas de las costas.

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.

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.

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%.

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 Kwh/m2.

HORAS PICO SOLAR (H.P.S.):
-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.

-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.):
-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 entre la altura del
objeto h (m.).

ÁNGULOS DE AZIMUT (α) Y DE INCLINACIÓN.
-ÁNGULO DE AZIMUT (α): 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 y +90º para
módulos orientados al este y al oeste, respectivamente.
-ÁNGULO DE INCLINACIÓN (β): Ángulo de la superficie de los módulos con el
plano horizontal. Su valor es 0º para módulos horizontales y 90º para
verticales.

ÁNGULOS DE INCLINACIÓN SEGÚN USO DE INSTALACIONES:
-Una inclinación comprendida entre 10º y 20º mayor que la latitud para
instalaciones de USO PRIORITARIO EN INVIERNO (60º de inclinación para
optimizar la energía generada en Dic./Ene.).
-La inclinación indicada es la 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.
-Una inclinación 20º menor que la latitud para instalaciones de USO
PRIORITARIO EN VERANO.

-MOVIMIENTO TERRESTRE: Movimiento de traslación siguiendo una órbita elíptica
alrededor del Sol en la que el Sol ocupa uno de los focos.
-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 :
-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.

ÁNGULOS DE ELEVACIÓN SOLAR EN SOLSTICIOS Y EQUINOCCIOS

-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.

ALTITUD SOLAR/ÁNGULO DE ELEVACIÓN SOLAR:
-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.

-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.

ÁNGULO DE ORIENTACIÓN DEL CAMPO SOLAR:
-La ORIENTACIÓN de los paneles fotovoltaicos en instalaciones sin mecanismos
de seguimiento solar, debe ser hacia el Sur en el hemisferio Norte.
-Esto implica que el ángulo de azimut (α) sea nulo→α=0º.
-En instalaciones situadas en el Hemisferio Sur la orientación adecuada es
hacia el hemisferio Norte.
-La pérdida de potencia fotovoltaica por grado de desviación respecto a la
orientación Sur son de alrededor de -0,2%/ºC.

-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%

SOMBREADO SOBRE LOS MÓDULOS FOTOVOLTAICOS
-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…).
-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.

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 (INV.) PRODUCE SOMBRAS ALARGADAS.

UN ÁNGULO DE ELEVACIÓN SOLAR ALTO (VER.) 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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