1. TEMA Geometría Solar, ángulos y posicionamientos de los Rayos Solares.
2. OBJETIVO Identificar las principales características de la Geometría Solar, como sus parámetros para un diseño sostenible en base a la Energía Solar.
3. INTRODUCCIÓN Dentro de un análisis solar, donde se identifican las principales características de sus geometrías, involucrando parámetros como ángulos y posicionamientos, los cuales dependen de la locación, se van a establecer los métodos de estudio dentro de una geometría solar global, comprendiendo los lugares más adecuados para implementar esta tecnología, dentro del Ecuador se tienen diferentes localidades que cumplen con estas características, las cuales se observará de manera más detallada en los temas posteriores. Observando conceptos básicos como latitudes, coordenadas y longitudes, las cuales establecen las definiciones esenciales para un ángulo de incidencia solar, se va a estudiar que tan factible es en Ecuador la implementación de energía solar, la cual se plantea como una fuente alternativa de recursos energéticos.
4. CONTENIDO 4.1. Ángulo de Dirección de los Rayos Solares Con objeto de caracterizar la localización solar respecto a la Tierra, se define el ángulo declinación solar como ángulo que forman los rayos solares con respecto al plano ecuatorial. Para su cálculo se puede utilizar, con suficiente aproximación la ecuación dada por Cooper [1]
Ec. 1 Si bien, una estimación más precisa se alcanza con la expresión de la Ec. 2, ecuación que utiliza el valor del ángulo diario Γ,
definido en la ecuación Ec. 3.
Ec. 2 Ec. 3 La figura 1 muestra la evolución de la declinación a lo largo del año.
En la caracterización del movimiento Sol-Tierra se asumen como hipótesis: Los años duran 365 días, prescindiendo sin más del día 29 de febrero, que es ignorado. Este método conlleva un pequeño error, que sin embargo este resulta despreciable en los balances meteorológicos pero tiene la ventaja de considerar todos los años idénticos, en lo que a posición y distancia solar se refiere. Se considera durante un determinado día del año la declinación solar es constante, de modo que la trayectoria recorrida por el Sol ese día sea exactamente un arco de paralelo celeste.
4.2. Posición del Sol (Diseño de Energía Solar), Latitud del Planeta La posición del sol en el cielo varía durante el día y la temporada debido a la rotación de la tierra alrededor de su eje una vez al día. Del mismo modo, cambia su órbita elíptica alrededor del sol una vez al año, con el sol en uno de los focos de la elipse.
La duración de un día solar varía a lo largo del año por superposición de 2 efectos:
1) Órbita elíptica: la Tierra circula más rápido cuando se acerca al Sol y más despacio cuando se aleja de él.
2) Declinación: varía entre -23,5º y +23,5º.
La distancia tierra – sol, se pude calcular para cada día del año, mediante la siguiente ecuación determinada por J.W. Spencer, en su libro representación de la posición del sol mediante series de Fourier:
Ec. 4 Ro = Distancia promedio tierra – sol (1 U.A), R = Distancia tierra sol para cualquier día del año.
Eo, se conoce también como el factor de corrección por excentricidad de la órbita terrestre. En el sistema de coordenadas celestes horizontales ilustrado en la Fig. 3 determina la posición del sol mediante los ángulos llamados azimut Az y la distancia zenital Zo o su complemento, la altura solar h.
4.3.CENIT En el sistema horizontal, el plano de referencia es el horizonte del observador. Este plano se cruza con la esfera celeste en el horizonte. La intersección de la normal en este plano y la esfera celeste se llama el CENIT (Z). En coordinar este sistema la posición del sol en la esfera celeste se determina por dos ángulos, el ángulo de altitud solar (h) y el ángulo acimutal solar (α).
Altitud solar es el ángulo de la línea que une los centros del sol y el observador con su proyección en el plano horizontal desde-90 ° a + 90 °. La altitud solar es positivo cuando el sol está sobre el horizonte, negativo cuando el sol está por debajo de ella. La distancia hasta el cenit es el complemento del ángulo de altitud y se denomina ángulo cenital (θ Ζ),
que está dada por: θ = 90° ∗ ℎ Ec.
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4.4. NADIR La vertical del lugar es la dirección de la gravedad en dicho lugar y corta a la esfera celeste en dos puntos llamados cenit y nadir. El cenit es el situado por encima del observador y el nadir por debajo del mismo.
El horizonte del lugar es el círculo máximo de la esfera celeste, perpendicular a la vertical del lugar. El horizonte divide a la esfera celeste en dos hemisferios: el Hemisferio Superior o Visible y el Hemisferio Inferior o Invisible. El punto de intersección con la esfera celeste situado encima del observador es el cenit, mientras que el punto opuesto es el nadir. El círculo fundamental es el horizonte del lugar. Los círculos menores paralelos al horizonte del lugar se denominan almucantarates y lo semicírculos máximos que pasan por el cenit, nadir y un astro determinado se denominan círculos verticales o vertical del astro.
La vertical del lugar es la dirección de la gravedad en dicho lugar y corta a la esfera celeste en dos puntos llamados cenit y nadir. El cenit es el situado por encima del observador y el nadir por debajo del mismo.
4.5. Coordenadas La posición del sol en la esfera celeste se puede determinar mediante los sistemas de coordenadas horizontales y ecuatoriales. En el sistema ecuatorial, la posición del sol está determinada por la declinación (δ) y el
ángulo horario (W). El ángulo horario (W), es el ángulo formado en el polo por la intersección entre el meridiano del observador y el meridiano del sol. Fig.4 se expresa en unidades de arco (grados) o en unidades de tiempo (horas), su conversión es: 1 hora = 15°.
4.6. Longitud y Latitud 4.6.1. Longitud Distancia (en º) desde el punto hasta el meridiano 0 (Greenwich). Longitud E (al este de Greenwich) / longitud O (al oeste de Greenwich). Es el arco de Meridiano contado desde el Ecuador hasta el paralelo donde se encuentra el observador. Es el arco de Ecuador contado desde el Primer Meridiano (Greenwich) hasta el Meridiano del Lugar. Se cuenta de 0º a 180º. Los puntos situados a la izquierda del Primer Meridiano, mirando hacia el Polo norte, son Oeste y los que están a la derecha son Este. Los primero son negativos (-) y los segundos son positivos (+). Los puntos situados en un mismo meridiano tienen la misma longitud.
4.6.2. Latitud
Distancia (en º) desde el punto hasta el paralelo del Ecuador. Latitud N (en el Hemisferio Norte) / latitud S (en el Hemisferio Sur). Se mide a partir del Ecuador, de 0º a 90º, todas las latitudes correspondientes a puntos en el Hemisferio Norte se denominan Norte, y son positivas (+) y todas las del Hemisferio Sur son Sur y negativas (-). Como es lógico todos los puntos en el Ecuador tienen latitud 0º y los polos se encuentran en latitudes 90º Norte y 90º Sur.
4.7. Altura, Azimut, Ángulo de Incidencia El ángulo de incidencia solar es muy útil, ya que permite un cálculo relativamente simple de la incidencia de radiación sobre una superficie. Las relaciones angulares entre el incidente de la radiación solar directa sobre un plano, como una superficie de área de pared o vidrio, orientado arbitrariamente en relación con la tierra pueden describirse en términos de varios ángulos. Estos ángulos se ilustran en la figura 3.8. La orientación y la inclinación de la superficie se determina con dos ángulos respectivamente: el ángulo del acimut superficial (γ) y la pendiente.
Superficie de Azimut es el ángulo entre el sur y la proyección de la normal en el plano horizontal de la superficie. Este ángulo se toma positivo si lo normal es al oeste del sur y negativa si al este sur. Pendiente es el ángulo en que la superficie está inclinada respecto a la horizontal y se toma positiva para superficies orientadas al sur.
Además, la posición del sol concerniente a la superficie se puede expresar usando el ángulo de incidencia solar (θ). Ángulo de incidencia solar es el ángulo entre la normal de la superficie y los rayos del sol. Las interrelaciones de los anteriores ángulos definidos se pueden calcular de las ecuaciones de trigonometría esférica simple, aplicando la regla de los cosenos en el triángulo esférico HKC. Puede estar relacionado con el ángulo de incidencia de la radiación del haz sobre una superficie por una ecuación general a la pendiente de la superficie, el ángulo cenital solar, el ángulo de acimut solar y el ángulo acimut de superficie. En la figura 3.8, KO es la normal a la superficie horizontal, CO es el normal a la superficie inclinada y OZ es la proyección horizontal de la normal a la superficie inclinada y aplicando la regla de los cosenos en el triángulo esférico HKC, tenemos: cos θ = cos β cos θZ + sin β sin θz cos (α − γ) Ec.6
4.8.Método de análisis de Geometría Solar Como es sabido, el movimiento terrestre se compone de una traslación alrededor del Sol y un giro sobre su eje. En el movimiento de traslación la Tierra se desplaza alrededor del Sol siguiendo una elipse de baja excentricidad en la que el Sol ocupa uno de los focos. La duración de este movimiento define un año. Este movimiento está contenido en el llamado plano de la eclíptica (Figura 2.1). Debido a la baja excentricidad de la elipse, la distancia entre Sol y Tierra durante el movimiento de traslación es variable. Una ecuación simple para describir esta distancia está recogida en Ec. 7.
Ec. 7 Siendo dn el número de día del año (siendo dn = 1 el 1 de Enero) y r0 es la distancia promedio en este trayecto, denominada unidad astronómica, r 0 = 1,496 × 108 km = 1 UA. La corrección debida a la excentricidad de la elipse se calcula con la Ec. 8.
Ec. 8 En el movimiento de giro la Tierra rota sobre si misma alrededor de su eje polar, perpendicular al plano ecuatorial terrestre. Entre el eje polar y el plano de la eclíptica hay un ángulo constante de 23,45°. Sin embargo, el ángulo entre el plano ecuatorial y la linea que une Tierra y Sol es variable a lo largo del año. Este ángulo variable es la causa de las estaciones, de que el Sol aparezca más alto en los mediodías veraniegos y los días invernales sean más cortos que los de verano. Utilizando la Ec. 7 puede comprobarse sin embargo, que la distancia entre Sol y Tierra es mayor en el verano que en el invierno del hemisferio Norte. Así, el efecto debido a la inclinación de los rayos solares es mucho más apreciable en la meteorología que la distancia entre el Sol y la Tierra.
4.9.Diagramas Solares
4.10. Potencial Solar
La producción está basada en el fenómeno físico denominado 'efecto fotovoltaico', que básicamente consiste en convertir la luz solar en energía eléctrica por medio de unos
dispositivos semiconductores denominados células fotovoltaicas. Estas células están elaboradas a base de silicio puro (uno de los elementos más abundantes, componente principal de la arena) con adición de impurezas de ciertos elementos químicos (boro y fósforo), y son capaces de generar cada una corriente de 2 a 4 amperios, a un voltaje de 0,46 a 0,48 Voltios, utilizando como fuente la radiación luminosa1 (Figura 6). Las células se montan en serie sobre paneles o módulos solares para conseguir un voltaje adecuado. Parte de laradiación (insolación) incidente se pierde por reflexión (rebota) y otra parte por transmisión (atraviesa la célula). El resto es capaz de hacer saltar electrones de una capa a la otra creando una corriente proporcional a la insolación incidente. Una capa antirreflejo aumenta la eficacia de la célula. Un sistema fotovoltaico es un dispositivo que, a partir de la insolación, produce energía eléctrica en condiciones de ser aprovechada por el hombre. El sistema consta de los siguientes elementos: • Un generador solar , compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan
la insolación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continúa a baja tensión (12 ó 24 V). • Un acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer
de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados. • Un regulador de carga ,
cuya misión es evitar sobrecargas o descargas excesivas al
acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia. • Un inversor (opcional), que transforma la
corriente continua de 12 ó 24 V almacenada
en el acumulador, en corriente alterna de 230 V. Una instalación solar fotovoltaica sin inversor, utiliza una tensión de 12Vcc. Una instalación solar fotovoltaica con inversor, utilización a 220 Vca. Una vez almacenada la energía eléctrica en el acumulador hay dos opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc o bien transformar la corriente continua en alterna de 220 V a través de un inversor.
La energía solar que se recibe en la superficie de la tierra se ha calculado equivalente a 178 000 TW-año. En 1990 se calculaba que esta cantidad era 15 000 veces mayor que el consumo global. No obstante, cerca del 30% de esta energía es reflejada en el espacio, 50% es absorbida, convertida en calor y reenviada a la superficie terrestre; de este 50%, 49 000 TW-año son reenviados como energía calorífica bajo la forma de radiación electromagnética y 40 000 TW-año como energía calórica propiamente dicha. Las estimaciones del potencial de las energías renovables (biomasa primaria, energía solar, energía hidráulica, energía eólica y energía geotérmica) muestran que su contribución se multiplicará por diez, pudiendo llegar hasta 10 o 15 TW-año. Este crecimiento de las energías renovables dependerá sobretodo de sus costos, de los impuestos a las energías no renovables y de las políticas energéticas.
Como se ha comentado, el primer paso a la hora de estimar el potencial es conocer el recurso solar en el territorio analizado. Para ello resulta necesario desarrollar una metodología adecuada para generar un mapa de radiación directa normal anual. Entre los requisitos que debe garantizar esta metodología, han de considerarse muy especialmente:
• Que sea susceptible de aplicarse a la mayor parte del territorio. • Que genere información de la radiación solar directa normal, que es la que finalmente
aprovecharán los sistemas termosolares a estudiar. La metodología seguida para la generación de este mapa se muestra de forma global. La metodología desarrollada consiste, básicamente, en los siguientes pasos: • Obtención de un mapa base de radiación global anual. • Validación y corrección del mapa base. • Creación del mapa de radiación directa normal a partir del mapa de global.
Ec. 9 Donde: • I es el índice de disponibilidad de la radiación directa. Se mide en kW/m 2. • El kt anual (índice de claridad atmosférica) mide la transparencia de la atmósfera y se
define como:
Ec. 10 Siendo: • H la irradiación global horizontal diaria. • H0 la irradiación extraterrestre horizontal diaria. A continuación se describe la forma en
que se han llevado a cabo cada uno de estos tres pasos que permiten obtener el mapa de radiación directa normal objeto de esta metodología.
5. ANÁLISIS Dentro de la presente investigación se han determinado diferentes tipos de definiciones, las cuales si bien, son de conocimiento general, promueven las bases para un estudio más amplio con respecto a la incidencia solar, dependiendo la localidad, en el caso del Ecuador, las zonas de la Sierra, son las más influenciadas por la radiación solar, establecido en la Fig.
Para un proyecto Fotovoltaico, se debe de establecer la cantidad de radicación con la que se va a trabajar, determinando en primeras instancias el potencial solar con el que se va a trabajar, se debe de tomar en cuenta que para dichos estudios, según diferentes autores, las estadísticas de radiación solar, no deben ser inferiores a un año, para los cálculos del estudio.
6. CONCLUSIONES
Se han propuesto diferentes definiciones dentro de los parámetros básicos, para así entender de mejor manera las incidencias y datos iniciales en un estudio de factibilidad solar.
El posicionamiento global y un atlas solar son las principales variables a tomar en cuenta en un estudio fotovoltaico, ya que están ligados para determinar las capacidades energéticas de un proyecto solar.
Si bien la geometría solar se deriva en posicionamientos terrestres e incidencias temporales, como son las horas de exposición solar y los ángulos de los rayos solares, el entendimiento de las formulas aplicadas a dichos valores ayudan a reducir datos experimentales, los cuales ayudan a un diseño energético solar sustentable.
7. RECOMENDACIONES
Implementando fuentes confiables para obtener definiciones acordes con la geometría solar, es uno de los primeros pasos a tomar en cuenta dentro de una investigación para determinar de manera correcta un futuro proyecto de energía solar.
Una vez determinada las ecuaciones, se debe de tomar en cuenta las unidades con las que estas trabajan, ya que dependiendo el autor y la localidad donde se va a trabajar con el estudio de la geometría solar pueden variar dependiendo el sistema que se implemente.
Los sistemas de coordenadas globales no solo determinan implicaciones solares, las utilizaciones como navegaciones y posicionamientos de individuos complementan la investigación, de tal manera que ampliar dichos sistemas complementaria un estudio implicando diferentes conceptos.
8. COMENTARIO
Las geometrías solares, a más de ser un incidente para comprender los movimientos terrestres y las diferentes cantidades de radiación existentes a lo largo de los años, también son la base para un estudio fotovoltaico, del cual se derivan los estudios para determinar si un lugar es apto para poder implementar este tipo de energía. Como se ha mencionado con anterioridad, los conceptos básicos de posicionamiento global ángulos de dirección de los rayos solares y los métodos de cálculos para optimizar la fiabilidad del potencial solar en una zona en específico, están ligados partiendo desde las definiciones instruidas en cursos inferiores hasta las aplicaciones ingenieriles que se están estudiando.
9. BIBLIOGRAFÍA
