tema2 radiacion 2003 colgar_1

J.D.Aguilar Peña e_mail: jaguilar@ujaen.es 04/13/23 1

Electrónica de Potencia INSTALACIONES

FOTOVOLTAICAS

Mayo 2011

Centro de Profesorado Linares-AndújarPaseo de Andaluces, 58

Linares (Jaén)

Juan D. Aguilar PeñaDepartamento Ingeniería ElectrónicaUniversidad de Jaén

J.D.Aguilar Peña e_mail: jaguilar@ujaen.es

Electrónica de Potencia

Contenidos

CONTENIDOS. (30h)1.- Introducción Energía Solar2.- Radiación Solar3.- Célula Solar & Módulo Fotovoltaico

4.- Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red5.- Componentes de los Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red 6.- Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Conectados a Red

7.- Tipos de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos 8.- Componentes de los Sistemas Fotovoltaicos Autónomos 9.- Diseño de Sistemas Fotovoltaicos Autónomos

Contenidos

CONTENIDOS: Bloque I (9h)Introducción. Prof. J.D.Aguilar1.- Introducción Energía Solar2.- Radiación Solar3.- Célula Solar & Módulo Fotovoltaico

•Introducción a las prácticas. Descripción de los equipos de medida. Material didáctico y software utilizado.

•Herramientas informáticas

•Conseguir Datos de Radiación Solar y temperatura. Localizar los accesos a las Bases de Datos

•Simulación del comportamiento de una célula, modulo y generador FV

Abella, M.A; Sistemas fotovoltaicos. S.A.P.T. Publicaciones ( Era solar)

Lorenzo,E; Electricidad solar. Ingeniería de los sistemas fotovoltaicos. Progensa

Fundamentos, dimensionado y aplicaciones de la energía solar fotovoltaica. Serie Ponencias. CIEMAT.

Instalaciones Fotovoltaicas

Tema 2: Radiación Solar

Juan D. Aguilar PeñaDepartamento Ingeniería ElectrónicaUniversidad de Jaén

Parte 0_0

DURACIÓN: 1 horas.

Contenidos teóricos

Este módulo centra su estudio en el conocimiento de la radiación solar que incidirá sobre una superficie receptora. Abarca desde el estudio de las generalidades del Sol (datos básicos, movimientos Sol-Tierra), hasta el cálculo de la radiación solar que incide sobre una superficie receptora situada en cualquier orientación e inclinación. Este módulo incluye los medios para medir la radiación solar e implementación de métodos que permitan calcular y estimar la radiación solar en diferentes escalas de tiempo.

DURACIÓN: 1,5 horas.

Contenidos teóricos Radiación solarDatos generales. Movimiento Sol-TierraComponentes radiación solar Aparatos de medidaRadiación sobre superficies no horizontalesSuperficie inclinara y orientada surCualquier orientaciónRadiación sistema conseguimientoSombreamiento

http://sunearth.gsfc.nasa.gov/spaceweather/FlexApp/bin-debug/index.html#app=d1c&7f6c-selectedIndex=0

* Sol = Estrella = Horno Nuclear* Distancia Tierra-Sol: 150 millones de km* Luz solar tarda 8 minutos en llegar a la tierra* Diámetro: 1.400.000 km (>100 planeta tierra)* Masa: 300.000 planetas tierra* Temperatura superficial: 5600 K* Vida: 5.000 millones de años* Horno Nuclear: Transforma Masa en Energía

según la ecuación E = mc2

* Radiación que llega a la tierra:En la atmósfera exterior: 1.4 kW /m2

A la superficie terrestre: 1.0 kW /m2

* Luz = Onda electromagnética: visible, infrarrojoultravioleta, rayos X, etc: espectro solar

Tema 2: Radiación SolarEl Sol. Datos Generales

Contenidos teóricos Radiación solarDatos generales. Movimiento Sol-TierraComponentes radiación solar Aparatos de medidaRadiación sobre superficies no horizontalesSuperficie inclinara y orientada sur Cualquier orientaciónRadiación sistema conseguimientoSombreamiento

Declinación: Angulo formado por el plano del ecuador terrestre y la eclíptica :

Se denomina equinoccio al momento del año en que los días tienen una duración igual a la de las noches en todos los

lugares de la Tierra, excepto en los polos. La palabra equinoccio proviene del latín aequinoctĭum y significa

«noche igual».Ocurre dos veces por año: el 20 ó 21 de marzo y el 22 ó 23

de septiembre de cada año, épocas en que los dos polos de la Tierra se encuentran a igual distancia del Sol, cayendo la luz

solar por igual en ambos hemisferios.

* * Excentricidad: Cociente entre la distancia sol tierra media (UA) y la distancia en cualquier instante elevado al cuadrado. o = (ro/r)2

Aunque siempre se dice que el Sol sale por el este y se pone por el oeste en realidad, debido a la inclinación del eje de rotación de la Tierra y al movimiento de traslación de esta alrededor del Sol, esto sólo ocurre dos días al año, los días de los equinoccios, cuando el día y la noche duran lo mismo. Durante el resto del año en el hemisferio norte el punto por el que sale y se pone el Sol se desplaza hacia el norte en primavera y verano, y hacia el sur en otoño e invierno, mientras en el hemisferio sur el movimiento aparente es el contrario.

Curiosidad¿Sale el Sol siempre por el Este?

Tema 2: Radiación SolarMovimiento Tierra-Sol Aparente

http://astro.unl.edu/naap/motion1/animations/seasons_ecliptic.html

Solsticio de invierno

equinoccio

Solsticio de verano

Curiosidad¿En verano estamos más cerca del Sol

(hemisferio Norte)?

Variación de la declinación:Solsticio de verano: 23.45Solsticio de invierno: -23.45Equinoccios: 0º

Variación de la excentricidadAfelio 1.017 UAPerihelio 0.983 UA

(º) = 23.45 sen (2 (n+284)/365) o = 1 + 0.033 cos (2n/365)siendo n = número de orden del día . Por ejemplo

1 de enero n=1 31 de diciembre n=365

• Ángulo Acimut s• Altura Solar s • Distancia Zenital ZS

Extraterrestre Bo

Radiación Extraterrestre a lo largo de un día :Bod = (24/)· Bo o cos cos (s cos s - sen s)

Radiación Extraterrestre a lo largo de una hora:Boh = Bo o cos ZS

Atmósfera

SueloSuperficie Receptora

Global = Directa + Difusa + Albedo G = B + D + R

Índice de Claridad KT =G/Bo

Fracción de Difusa KD =D/G

Difusa D

Extraterrestre Bo

Albedo R

Atmósfera

Directa B

Superficie Receptora© L. Hontoria

ZONA I: HDA (0) < 3,8 kWh/m2

ZONA II: 3,8 ≤ HDA (0) < 4,2 kWh/m2

ZONA III: 4,2 ≤ HDA (0) < 4,6 kWh/m2

ZONA IV: 4,6 ≤ HDA (0) < 5,0 kWh/m2

ZONA V: HDA (0) ≥ 5,0 kWh/m2

Código Técnico de Edificación (Sección HE 5) aprobado en el RD 314/2006.

Tema 2: Radiación Solarhttp://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/

J.D.Aguilar Peña e_mail: jaguilar@ujaen.esJ.D.Aguilar Peña; http://voltio.ujaen.es/jaguilar 13/04/23 33

Tema 2: Radiación Solar* Radiación: sentido genérico* Irradiación: energía kWh/m2* Irradiancia: potencia kW/m2* Intensidad: irradiancia en una determinada dirección y contenida en la unidad de ángulo sólido kW/m2/sr* Insolación: cuando la fuente es el sol

Radiación Extraterrestre Bo Radiación Global G Radiación Directa B Radiación Difusa D Radiación Albedo R

Nomenclatura y Notación.

* Extraterrestre sobre superficie horizontal Bo(0)* Global sobre cualquier superficie G(,)* Directa Horaria Bh

* Difusa Horaria Media Mensual Dhm

* Albedo Diaria Rd

E (kWh) = Gda (,)*P(kWp)*365*PRPR Performance Ratio 0.8

Tema 2: Radiación SolarClasificación

Clasificación. Aparatos Importantes

Piranómetros. Radiación Global (G)

Pirheliómetros. Radiación Directa (B)

Pirheliómetros con BandaRadiación Difusa (D)

Clasificación. Aparatos Importantes

Medidas indirectas:Heliógrafo Cambell-Stokes

Heliógrafo: mide las Horas de Sol.Relación: Horas de Sol – Radiación Global

•Objetivo: Obtener G (, ) conocida G(0)

D(0) y B(0)

Directa B(,) Difusa D (,) Albedo R (,)

Modelos

Correlaciones. KT y KD

Relaciones trigonométricas Expresión

empírica

G (,) = B (,) + D (,) + R (,)

Método General de Cálculo II

•Objetivo: Obtener G (, ) conocida G(0)•Paso 1. Descomposición de G(0) en B(0) y D(0)

•KT = G(0) / Bo(0)•KD = f(KT)•D(0) = KD ·G(0)•B(0) = G(0) - D(0)

•Paso 4. Obtención de R(, )•R(, ) = G(0)·(1-cos )/2

•Paso 2. Obtención de B(, ) a partir de B(0)•B(, ) = B(0) · cos(s) / cos (zs)

•Paso 3. Obtención de D(, ) a partir de D(0)•D(, ) = D(0) (1+cos ) / 2

Algoritmo Particular I

Dato de Partida: 12 valores de Gdm(0). Radiación Global Media Mensual

•Paso 1a. Descomposición de Gdm(0) en Bdm(0) y Ddm(0)•KTm = Gdm(0) / Bodm(0)•KDm = 1 - 1.13· KTm

•Ddm(0) = KDm ·Gdm(0)•Bdm(0) = Gdm(0) - Ddm(0)•RESULTADO: Bd(0) Dd(0) y Gd(0)

•Paso 1b. Paso de Bd(0) y Dd(0) a Bh(0) y Dh(0)•a = 0.4090 - 0.5016 ·sen (s + 1.047)•b = 0.6609 + 0.4767 ·sen (s + 1.047)•rd = /24·(cos - cos s) / (s ·cos s - sen s)•rg = /24 · (a + b cos )·rd

•Dh(0) = Dd(0)·rd•Gh(0) = Gd(0)·rg•Bh(0) = Gh(0) - Dh(0)•RESULTADO: Bh(0) Dh(0) y Gh(0)

Algoritmo Particular II

•Paso 4. Paso de Dh(0) a Dh(,)•Rh(, ) = Gh(0)· (1-cos )· / 2 =0.1, 0.2 Factor de reflectividad

•Paso 2. Paso de Bh(0) a Bh(,)•Bh(, ) = Bh(0) · cos(s) / cos (zs)

•cos(s) = sen sen cos -• sen cos sen cos +• cos cos cos cos +• cos sen sen cos cos +• cos sen sen sen

•cos (zs) = sen sen + cos cos cos

•Paso 3. Paso de Dh(0) a Dh(,)•Dh(, ) = D(0) (1+cos ) / 2•MODELO ISOTRÓPICO

Contenidos teóricos Radiación solarDatos generales. Movimiento Sol-TierraComponentes radiación solar Aparatos de medidaRadiación sobre superficies no horizontalesSuperficie inclinada y orientada sur Cualquier orientaciónRadiación sistema conseguimientoSombreamiento

Superficie inclinada y orientada sur

J. De la casa

Contenidos teóricos Radiación solarDatos generales. Movimiento Sol-TierraComponentes radiación solar Aparatos de medidaRadiación sobre superficies no horizontalesSuperficie inclinara y orientada sur. Cualquier orientaciónRadiación sistema conseguimientoSombreamiento

J. De la casa

RADIACIÓN SOLAR

SOMBREAMIENTO

•Calcular la longitud de sombras proyectadas por un objeto

•Comprender y dibujar diagramas de sombras

1. Longitud de Sombras

1.1. Sombras proyectadas a las 12 Horas Solar

1.2. Sombras proyectadas a cualquier Hora

2. Diagramas de SombrasSe realizará un estudio mas detallado en tema de SFCR

altura

ssombra

Sombra (s) = Altura (h) / tg s

tg s = Altura (h) / Sombra (s)

Sombras proyectadas a las 12 Horas Solar

: Latitud del Lugar (º) : Declinación Solar (º)

Expresión a Utilizar

s = 90 - +

Datos (Jaén) = + 37.77º (día 21 junio) = +23.45 º (día 21 diciembre)= - 23.45 º

Resultado. 1.-Altura Solar21 junio: s = 90 - + = 90 - 37.77+23.45 = 75.68 º21 diciembre: s = 90 - + = 90 - 37.77- 23.45 = 28.78 º

Sombra de un poste de 5 metros12 Horas Solar. Lugar JaénDías 21 de junio y 21 de diciembre

Resultado. 2.-Sombra21 junio: s = h /tg s = 5 /tg (75.68) = 1.27 metros21 diciembre: s = h /tg s = 5 /tg (28.78) = 9.1 metros

Sombras proyectadas a cualquier Hora

: Latitud del Lugar (rad) : Declinación Solar (rad) :Angulo Horario (rad)Recordar HS (horas) = * (12/) (horas) +12

Expresión a Utilizar

sen s = sen sen + cos cos cos

Datos (Jaén) = + 37.77º = (9-12)*/12 = -0.785 rad (día 21 junio) = +23.45 º (día 21 diciembre)= - 23.45 º

Resultado. 1.-Altura Solar21 jun: s = arcSen( sen sen + cos cos cos ) = 49.16 º21 dic: s = arcSen( sen sen + cos cos cos ) = 15.64 º

Sombra de un poste de 5 metros9 Horas Solar. Lugar JaénDías 21 de junio y 21 de diciembre

Resultado. 2.-Sombra21 junio: s = h /tg s = 5 /tg (49.16) = 4.32 metros21 diciembre: s = h /tg s = 5 /tg (15.64) = 17.85 metros

Trayectoria Solar

-180 -120 -60 0 60 120 180

Azimut Solar (º)

21-marzo

21-junio

21-sept.

21-dic.

Se realizará un estudio mas detallado en tema de SFCR

DatosLugar: Nueva YorkSituación Superficie:Inclinación 35 ºRadiación Anual (35º) = 4.38 Wh/m2díaDiagrama Anterior

SombreadoMedia Parte de A10 y A9Un cuarto de A7

ResultadoSin Sombra: G = 4.38 kWh/m2dia

Con Sombra:Pérdidas(%) = 0.50xA10+0.50xA9+0.25xA7 = 0.935%

Gsombra = G-GxPérdidas = 4.38 -0.04 = 4.34 kWh /m2dia

Se realizará un estudio mas detallado en tema de SFCR

• Ángulo Acimut s

• Hora Solar o Ángulo horario ( ) HO -12 +AO•Hora Solar o Ángulo horario salida ( s) s = -arccos (-tg tg ) •Hora Solar o Ángulo horario puesta ( p) p = - s

• Altura Solar • Distancia Zenital ZS

cos zs = sen sen + cos cos cos =sen

cos s = (sen sen - sen ) / (cos cos )

• Latitud del lugar:

• Declinación solar

• Excentricidad o (º) = 23.45 sen (2 (n+284)/365)

o = 1 + 0.033 cos (2 n/365)

Radiación Extraterrestre a lo largo de una hora:Boh = Bo o cos ZS

Radiación Extraterrestre a lo largo de un día :Bod (0) = 24 / Bo o cos cos (s cos s - sen s)

Medias MensualesBohm = 1/(nF-nI + 1) Boh Bodm = 1/(nF-nI + 1) Bod

Siendo Bo = 1.367 W/m2 = constante solar

Radiación Extraterrestre. Cálculos Teóricos

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