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ESTUDIO DE PATRONES CLIMATICOS EN LA CIUDAD DE CUENCA PARA DEFINIR IDEALMENTE POSICION Y ANGULO DE UN PANEL SOLAR. Ana Abril Oleas, Juan Diego Cabrera, Alexander Martínez Maldonado, Tania Torres Jaramillo.
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[email protected]. UNIVERSIDAD UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SALESIANA ENERGÍA Y MEDIO AMBIENTE
—En este este docu docume ment nto o se va a deta detalla llarr lo que que es el Resumen—En posicionamiento optimo de un panel solar en la ciudad de cuenca ya que este procedimient procedimiento o es esencial esencial para el máximo beneficio beneficio de la energía solar que recibirá recibirá los paneles paneles solares y las instalaciones instalaciones donde se va a construir, para este proyecto el primer paso que se tend tendrá rá que que reali realizar zar sera sera el estu estudio dio de la posic posició ión n opti optima ma de los sensor sensores es solare solares, s, existen existen 3 configu configuraci ración ón para para esto esto que son: Angulo optimo constante, constante, Angulo de inclinación inclinación variable mensual; y sensores solares con un sistema de seguimiento de la raza solar. Luego de validar estos datos se procederá a realizar los difere diferente ntess métodos métodos que existen existen para para la optimiz optimizacio acion n para para determinar la posición optima de los paneles solares en la ciudad de Cuenca. Index Terms—Panel
solar, posición, angulo.
reflexión y fenómenos de absorción), El conocimiento de la radiació radiaciónn solar solar es esencial esencial para calcular calcular diferent diferentes es niveles niveles de rendimiento relacionados con sistemas de energía solar , tales como calentadores de agua solares, sistemas fotovoltaicos,concentración solar, construcciones de edificio con vistas a un mejor aislamiento térmico adaptado al clima local y también para calefacción de casas y habitaciones. Este trabajo se cierra en esta perspectiva y pretende estudiar tres configuraciones óptimas: un ángulo de inclinación constante, un ángulo de inclinación mensual ajustable y un sistema de seguimiento solar. Además de estas configuraciones, se evaluó la posición tradicional de colectores solares con ángulos de inclinación constantes (30 °, 45 ° y 60 °). El método numérico permite la determinación de la radiación solar horaria promedio normal, difusa y global por hora.
OBJETIVOS OBJETIVO PRINCIPAL. PRINCIPAL. Aplicar metodologías en base a datos de patrones climáticos I. MÉTO MÉTODOS DOS.. de los últimos años de la ciudad de Cuenca, para con ello I-A. Método de calculo. definir la posicion y angulo ideal para un panel solar dentro La radiación solar total en una superficie inclinada durante de la ciudad. una hora es la suma de tres términos (el componente directo, el componente difuso y el componente reflejado) [11]: OBJETIVOS ESPECÍFICOS. 1 + cosβ + cosβ 1 − cosβ Estudiar tablas estadísticas de patrones climáticos de los (1) I t = I = I b Rb + + Iρ I ρg 2 2 últimos años de la ciudad de Cuenca. Llegar a conocer algunas de las diferentes metodologias (2) I = = I b + I + I d propuestas para el estudio de laposicion y angulo ideal para un panel solar.
INTRODUCCIÓN. Cuenca es la tercera ciudad mas importante del país por lo cual se esta buscando un método para el servicio de energía eléctrica como sabemos en nuestro país se esta produciendo energía mediante hidroeléctricas y parques eólicos por lo cual estamos buscando un método por el cual nos permita localizar una posición optima para colocar los paneles solares con su angulo respectivo respectivo debido a datos que se consiguieron del clima en la ciudad. La Tierra recibe diariamente un gran flujo de energía solar, el poder de esta radiación se basa en varios criterios tales como las condiciones climáticas, la difusión atmosférica (dispersión,
I b =
τ b K t I o τ b + τ + τ d
(3)
I d =
τ d K t I o τ b + τ + τ d
(4)
I o = C s (τ b + τ + τ d ) ∗ 1 + 0, 0 ,033 ∗ cos
360 n ∗
365
τ b = a = a o + a + a1 exp( exp(−k/cosθz )
Donde ao , a 1 y k son constantes dadas por:
∗ cosθz
(5) (6)
2
ao = 0,4237 − 0,00821 ∗ (6 − A)2
(7)
a1 = 0,5055 − 0,00595 ∗ (6,5 − A)2 K = 0,2711 − 0,01858 ∗ (2,5 − A)2
(8)
τ d = 0,271 − 0,294 ∗ τ b Rb =
cosθ cosθz
(9)
cosθ = sinδsinϕcosβ − sinδcosϕcosγ + cosδcosϕcosβcosω
(10) +cosδsinβsinγsinω + cosδsinϕsinβcosγcosω (11)
δ = 23,45 ∗ sin 360 ∗
284 + n 365
(12)
I-B. Determinación del indice de claridad KT Una de las fuentes de incertidumbre de este método radica en la determinación del índice de claridad kT que afecta significativamente los resultados; Por lo que es esencial determinar correctamente. El índice de claridad kT se define como la relación entre la irradiación global horizontal y la irradiación correspondiente disponible fuera de la atmósfera, y entonces se considera como un factor de atenuación de la atmósfera. La determinación del indice se basa en los valores a lo largo de 1 año o mas esto es de mes en mes luego se realizara una interpolación adecuada de estos datos dependiendo de estos datos obtendremos una ecuación para el indice de claridad. I-C. Seguimiento de paneles solares: Un seguidor solar es un dispositivo que orienta una carga útil hacia el sol para minimizar el ángulo de incidencia entre la luz solar entrante y un panel fotovoltaico. Esto aumenta la cantidad de energía producida a partir de una cantidad fija de capacidad de generación de energía instalada.
I b I t = + I d cosθz
1 + cosθ z
2
+ Iρg
1
− cosθz
2
(13)
I-D. Diferentes métodos para calcular la radiación solar en un cielo claro. I-D1. Método de HOTTEL.: Hottel [1976] presentó un método para calcular la radiación transmitida a través de la atmósfera clara, en el cual toma en cuenta el ángulo cenit y la altitud para una atmósfera estándar y cuatro tipos de clima: tropical, verano en latitudes medias, verano subártico e invierno en latitud media. El coeficiente de transmitancia de radiación solar τb Gbn/Gon está dado por la expresión:
(14)
τ b = a o + a1 e−K/cosθ
z
Las constantes a0, a1 y k de la atmósfera estándar con 23 km de visibilidad son encontradas de las siguientes ecuaciones (La atmósfera estándar representa una condición típica de latitud media y sin contaminación por polución, independientemente del grosor del ozono): a0 = 0, 4237–0, 00821(6–A)2
(15)
a1 = 0, 5051 + 0, 0059(6, 5–A)2
(16)
k = 0, 2711 + 0, 01858(2, 5–A)2
(17)
Donde: A: Altitud del observador, en kilómetros. Hottel también encontró las ecuaciones de a0*, a1* y k* para una atmósfera estándar con 5 km de visibilidad. Los factores de corrección son aplicados a a0*, a1* y k* para cada tipo de clima. Los factores de corrección r 0 = a 0 /a0 ,* r1 = a 1 /a1 * y r k = k/k * se encuentran en la tabla 1. Cuadro I M ODELO DE H OTTEL Tipo de clima Tropical Verano (Latitudes medias) Invierno (Latitudes medias) Verano subartico
ro
r1
rk
0.95 0.97 1.03 0.99
0.98 0.99 1.01 0.99
1.02 1.02 1.00 1.01
De esta manera la transmitancia de esta atmósfera estándar de radiación puede ser determinada por el ángulo cenit; la radiación solar directa normal es entonces: Gcbn = Gon ∗ τ b
Figura 1. Concepto de paneles de seguimiento.
La radiación solar total sobre una superficie inclinada se obtiene sustituyendo β por θz en la Ec. (1):
(18)
Donde: Gcbn : Radiación solar directa que capta el pirheliómetro. Gon : Radiación extraterrestre, medida en el plano normal a la radiación en un día n del año. τ b : Coeficiente de absorción solar directa. La componente horizontal de la radiación solar para un día despejado es:
3
Gcb = Gon ∗ τ b ∗ cosθz
(19)
Donde: Gcb : Componente de la radiación solar directa en el plano horizontal. I-D2. Método de Orgill y Hollands.: Esta correlación se basa en cuatro años de datos de Toronto, Canadá (43°48’ N). Los datos de radiación difusa fueron medidos por un piranómetro de sombra-banda. Esta correlación se divide en tres partes: Id/I = 1, 0 − 0, 249kT 0 ≤ kT ≤ 0, 35
(20)
Id/I = 1, 557 − 1, 84kT 0, 35 ≤ kT ≤ 0, 75 (21)
Id/I = 0, 177kT > 0, 75
(22)
(Ecuaciones propuestas por Orgill y Hollands). I-D3. Método de Page.: Propuso desarrollar una correlación basada en el análisis de regresiones de datos, usando datos de diez estaciones situadas entre 40° Norte y 40º Sur de latitud, y recomendó la siguiente ecuación lineal: ¯ H ¯ = 1,00 − 1,13Kt ¯ Hd/
(23)
I-D4. Método de Liu-Jordan.: La ecuación siguiente fue ajustada a partir de los datos de tres estaciones. Los datos usados por Liu y Jordan fueron usados por Hottel.
ASHRAE: El método más simple usado para la estimación de la radiación por horas en días claros es usando los datos de atmósfera clara; ASHRAE, Farber y Morrison, en 1977, mostraron tablas de la radiación normal directa y la radiación total sobre una superficie horizontal como función del ángulo cenital. Para obtener datos de I diarios y hora por hora se basaron en los puntos medios de las horas; este método estima la radiación de cielo claro con un valor de radiación de 10 % mayor que el modelo de Hottel y el método de día estándar de Liu-Jordan, mientras que los datos de ASHRAE son fáciles de usar; los métodos provistos por Hottel y Lui-Jordan dependen del tipo de clima y la altitud para ser obtenidos. El modelo de ASHRAE es un caso particular del modelo de Hottel; ha sido utilizado para estimar con gran éxito la radiación solar directa en países como Estados Unidos y España. Los parámetros físicos que describen este modelo se basan en una tendencia exponencial de la radiación directa. La ecuación que permite calcular el valor de la irradiancia es: I = A ∗ e−Bτ
(27)
Donde: I: Irradiancia directa sobre el lugar (W/m2). A: Constante de proporcionalidad (W/m2). B: Constante adimensional. t: Parámetro físico. Donde:t = (1/senγ ). γ : Altura solar.
¯ 2 −3,108Kt ¯ 3 0,3 < Kt ¯ ¯ < 0,7 I-E. Programa GEOSOl V.2.0. Hd/H = 1,39−4,027Kt+5,531 Kt
(24) El modelo de Liu-Jordan tiene en cuenta la naturaleza fluctuante de la radiación solar, razón por la cual emplean la distribución fraccional de tiempo de la radiación y su integral, es decir, la distribución de frecuencias, ya que son ellas las encargadas de describir estas fluctuaciones que resultan de vital importancia para el modelamiento de sistemas solares. Iqbal: Propuso una correlación escasamente diferente a la de Page usando datos canadienses que fueron corregidos para efectos de banda de sombra. Esta correlación es: ¯ H ¯ = 0,958 − 0,982K ¯r 0,3 < K ¯r < 0,6 (25) Hd/
Y se deduce a partir de datos de la NASA, mediante valores de la constante solar de 1 353 W/m2, donde Page usó un valor mayor que esta constante. ¯ en H ¯r fue calculado como un verdadero promedio de Ho las sumas diarias. El índice de claridad medio mensual es el cociente entre el promedio mensual de radiación diaria en una superficie horizontal y el promedio mensual diario de radiación extraterrestre en la ecuación: ¯ = H/ ¯ Ho ¯ KT
(26)
Los datos de H (promedio), H e I, son mediciones de radiación solar total en una superficie horizontal, lo que es comúnmente medible con el piranómetro y el pirheliómetro.
Para optimizar la energía que se genera en las celdas de los paneles solares se debe tener un promedio de la posición del sol a lo largo del día ya que es de suma importancia para mejorar el desempeño de los paneles solares. El programa es GEOSOL V.2.0 es un programa de cálculo y de graficación creado por Alejandro L. Hernández del Instituto de Investigaciones en Energía No Convencional de la Universidad Nacional de Salta. Este programa permite obtener los siguientes valores numéricos: Horas solares de salida y puesta del sol sobre el horizonte. Duración del día. Diferencia horaria entre Hora Solar y Hora Oficial. Angulo horario, altitud y azimut solares, hora por hora, desde la salida hasta la puesta del sol. Irradiación solar directa, difusa y total en MJ/m2 , hora por hora, sobre cualquier superficie especificada por el usuario II. C ONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES . La puesta en práctica de conceptos de radiación solar permite determinar que la construcción del conocimiento se origina cuando se reconoce que la razón por la cual se validaron y se ajustaron 4 modelos de radiación solar es establecer su validez experimentalmente, determinando el valor a partir de cada una de las relaciones establecidas, lo que nos conduce a una aproximación en la construcción de otras opciones de conocimiento que se elaboran en la práctica al resolver o intentar solucionar problemas que involucren el estudio del recurso solar como fuente de energía.
4
Este artículo presenta un método teórico para la determinación de la irradiación solar de Cuenca para diferentes planos en cualquier momento del año (día y hora). Se pudo conocer deferentes métodos para la determinación de una posición optima de los paneles solares en la ciudad de Cuenca. R EFERENCIAS [1] [2] [3] [4] [5]
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