Fundación Energizar

- 2014 -

Energía Solar Térmica

Capítulo 2

Energética

Solar

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Energía Solar

Energética Solar

Donde estamos? El SOL en la vía láctea

El SOL y la Tierra

Estructura interna del SOL – Reacciones de fusión nuclear,

usos de la fusión

El SOL como generador de energía – Radiación Solar,

Espectro de Radiación, Teoría de Cuerpo Negro

“Movimiento SOLAR” – Coordenadas Solares, Paralelos y

Meridianos, Estaciones del Año

Cálculo de Alturas SOLARES (simplificado)

Como debo instalar un colector solar

Determinación de la energía SOLAR recibida en una

localidad – Rad. Directa y difusa, Irradiancia y radiación

Global

Cálculo de la energía solar recibida en una localidad de

Argentina

Análisis de sombras – Ejemplos con software específico

Características que deben tener los colectores solares

térmicos para absorber al máximo la radiación solar

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

¿Dónde estamos? El sol en la vía láctea

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

El Sol y la Tierra | Tamaño comparativo

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Video: «PV – El Sol

composición»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Algunos datos sobre el sol

Composición 92,1 % Hidrogeno 7,8 % Helio

Distancia Sol-Tierra

149x106 km147 x 106 Km Perihelio (Enero)

152 x 106 Km Afelio (Julio)

Tiempo de viaje de la

Rad. en llegar a la

tierra

8,5 minutos

Densidad1,4 g/cm3 (aprox. igual a la del Yoghurt y la del agua

1g/cm3)

Gravedad 274 m/seg2 (28 veces mas que en la Tierra : 9,8 m/seg2)

Masa 1,99 x 1030 (330.000 veces la de la Tierra)

Radio 695 x 103 Km (109 veces el de la tierra)

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Estructura interna del sol

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Reacciones atómicas en el núcleo del Sol

Fusión Nuclear

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

SOHO Solar and Heliospheric Observatory

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

SOHO –Orbita de “Lagrange”

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

5 días de actividad solar 1-5/10/1999

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Usos de la Fusión Nuclear en la Tierra

Fin Bélico

Bombas atómicas de fusión

o “Bombas de Hidrógeno”

Fin Pacífico

Reactor “Tokamak” para

generación de Energía

Eléctrica (en desarrollo)

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Video: «Energía – Fisión y

Fusión»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

El Sol como generador de energía

El Sol como fuente de radiación

2-1

Temperatura equivalente 5.777 K

Constante solar

(irradiancia máxima fuera de la atmósfera)

1.367 W/m2

Energía inagotable del Sol

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Balance energético en el planeta tierra

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

¿Qué es la radiación solar ?

Zona del Espectro Longitud de onda Porcentaje de energía

total

ULTRAVIOLETA < 0,4 m 14 %

VISIBLE entre 0,4 y 0,7 m (entre violeta y rojo)

46 %

INFRARROJO > 0,7 m 40 %

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

El Sol como fuente de energía

Espectro Electromagnético

«El Sol como fuente de

energía»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Espectro Solar

Irradiancia Solar al tope de la atmosfera : 1.360 W/m2

Sobre la Sup. de la tierra aprox. : 1.000 W/m2

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Espectro y aplicaciones terrestres

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Espectro Visible y su relación con el UV/IR

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Teoría de cuerpo negro de Planck

BoltzmannStefansKmJ

yKTconTF o

],/[1067.5

][,

428

4

metrosdondeT

:,109.2 3

max

Emisión de cuerpo negro

Ej., un cuerpo negro a 5.777 °K, genera 100.000

veces mas energía que uno a 150 °C

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

¿Cómo podemos saber su posición con respecto a

nosotros ?

Coordenadas Solares

Movimiento Solar

1.- Altura solar 2.- Azimut

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Medición de:

“altura solar” “Azimut”

Azimut (-) entre N y E

Azimut (+) entre N y O

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Altura SolarAzimut

Azimut (-) entre N y E

Azimut (+) entre N y O

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Se miden en grados [°] desde el

Ecuador, que es el paralelo : 0°

- Ecuador al Sur es Latitud Sur,

o Hemisferio Sur

- Ecuador al Norte es Latitud Norte,

o Hemisferio Norte

Se miden en grados [°] desde el

Greenwich, que es el Meridiano : 0°

- de Greenwich al Este es longitud

Este

- de Greenwich al Oeste es longuitud

Oeste

Paralelos y Meridianos

Paralelos

Meridianos

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Paralelos y Meridianos

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Paralelos y Meridianos

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Video: «Latitud y Longitud»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Cómo se producen las estaciones del año?

2-2

21 Diciembre

21 Septiembre 21 Junio

21 Marzo

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Cómo se producen las estaciones del año?

VIDEO 1: “PV – Estaciones Básico”

VIDEO 2: “PV – Por que hay estaciones (reducido) ?”

VIDEO 3: “PV – Estaciones Dinámico”

VIDEO 4: “PV – Eclíptica y estaciones”

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Posición de la tierra en los:

“Solsticios” y “Equinocios”

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Cómo varía la radiación solar recibida con

la altura solar en el horizonte ?

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

“Movimiento Solar” visto desde la

superficie de la tierra

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Altura solar y sombras

en los solsticios de

Invierno y Verano

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Cálculo simplificado de altura solar

Hagamos unas cuentas rápidas para calcular esas alturas para el mediodía, la ecuación es :

h = 90º - Ø +/- δ Donde : - Ø = Latitud del lugar, ángulo en grados - δ = ángulo de declinación del eje de la Tierra : 23º aprox. - + = para el Solsticio de Verano - - = para el Solsticio de Invierno

Para el Solsticio de Verano (21 de dic.) será : 90º - Ø + 23º

Para el Solsticio de Invierno (21 de junio) será : 90º - Ø - 23º

Para los Equinoccios (21 de marzo y septiembre) : 90º - Ø

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

¿Cómo debo instalar un colector solar, p/

aprovechar al máximo la radiación solar?

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ejemplo: vivienda ubicada en CABA

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Amanecer:

Sud-Este

Mediodía:

Norte

Atardecer:

Sud-Oeste

21 de Diciembre | Solsticio de Verano

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Amanecer :

Este

Mediodía :

Norte

Atardecer :

Oeste

21 Mar | 21 Sept | Equinoccio Otoño/Primav

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Amanecer :

Nor-Este

Mediodía :

Norte

Atardecer :

Nor-Oeste

21 de Junio | Solsticio de Invierno

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ejemplo

Uso software “CENSOL 5.0”, para movimiento solar”

Uso software “Stellarium”, para movimiento solar

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Proyecciones Estereográficas

Para determinar el “Movimiento Solar” y Sombras

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Movimiento Solar – Coord. Cilíndricas

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Video: «Movimiento Sombras»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

El “SOL”, determinación de la energía

producida

1-7Suministro energético hoy y en el futuro

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Distribución mundial de Radiación Global

Solar en kWh/m².año

Ing. Daniel R. Fernández

2-7

No determinado

Energía inagotable del Sol

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Superficie de Módulos Fotovoltaicos

Necesaria para cubrir la demanda mundial de electricidad

1-6Suministro energético hoy y en el futuro1-6Suministro energético hoy y en el futuro

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Superficie de Módulos Fotovoltaicos

Necesaria para cubrir la demanda mundial de electricidad

1-6Suministro energético hoy y en el futuro

Planta Fotovoltaica de 240 x 240 Km (57.600 Km2), un 18% de la sup. de la

Prov. de Bs. As. (Prov. Bs. As.:307.571 Km2, Argentina : 2.766.889 km2)

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Los componentes de la radiación solar

Ing. Daniel R. Fernández

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Irradiancia en función de condiciones

climáticas

Cielo nublado Cielo despejado, sol

Principalmente radiación difusa Principalmente radiación directa

Irradiancia

W/m2

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Irradiancia medida en Olivos, Vte. Lopéz : 21/03/09

Equinoccio de Otoño.

Irradiancia máx : 950 W/m2, Radiación : 6,48 Kwh/m2.día

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Irradiancia medida en Olivos, Vte. Lopéz : 21/06/09

Solsticio de Invierno.

Irradiancia máx : 575 W/m2, Radiación : 1,50 Kwh./m2.día

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Irradiancia medida en Olivos, Vte. Lopéz : 21/09/09

Equinocio de Primavera.

Irradiancia máx : 925 W/m2, Radiación : 6,04 Kwh./m2.día

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Irradiancia medida en Olivos, Vte. Lopéz : 30/12/09

Solsticio de Verano.

Irradiancia máx : 950 W/m2, Radiación : 5,33 Kwh./m2.día

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Cálculo de la energía solar recibida en una

localidad de Argentina

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Variación de la radiación global recibida en

CABA con la inclinación del colector solar

2.50

3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

E F M A M J J A S O N D

Ra

dia

ció

n G

lob

al d

iari

a [

Kw

h/m

2.d

ia]

mes

Radiación global diaria en la ciudad de Buenos Aires en función del ángulo de inclinación

Lat-20

Lat-10

Lat

Lat+10

Lat+20

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ejemplos de uso de las Tablas de Radiación Solar diaria para

distintos angulos de inclinación de una sup. de 1m2

Los valores de “H” : “Radiación Solar diaria en la superficieterrestre” están dados para 5 angulos de inclinación distintos sobre elsuelo de una superficie de 1 m2

Los ángulos de inclinación de la superficie son :

Lat. – 20° : ángulo de inclinación de la superficie igual a la Latitud del lugar [°] – 20°

Lat. – 10° : ángulo de inclinación de la superficie igual a la Latitud del lugar [°] – 10°

Lat. : ángulo de inclinación de la superficie igual a la Latitud del lugar.

Lat. + 10° : ángulo de inclinación de la superficie igual a la Latitud del lugar [°] + 10°

Lat. + 10° : ángulo de inclinación de la superficie igual a Lat. del lugar [°] +10°

Los valores de “Radiación Solar diaria en la superficie”, están dadosen MJ/m2.día, para pasarlo a una unidad “mas familiar” comoKwh/m2.día, hay que dividirlo por 3,6.

Ejemplo : Observatorio Bs. As. (Ciudad de Buenos Aires), mes deJunio, superficie inclinada igual a Lat. + 10° = 34° + 10° = 44°, laRadiación solar diaria en una superficie de 1m2 es : 11,9 MJ/m2.día, silo dividimos por 3,6, nos da 3,3 Kwh/m2.día

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

«Análisis de Sombras»

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Análisis de sombras mediante un indicador

de “camino solar”

4-27Instalaciones fotovoltaicas conectadas a red

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Estudios de Sombra para instalación de

sistemas solares

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Estudio de Sombras 21 de Junio – Olivos,

Buenos Aires

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Ing. Daniel R. Fernández

Ejemplo

Uso software “Censol 5.0”

Uso software “Sombrero”

Uso software “Solar Pro-Sample”

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

La energía solar que recibe una placa o colector de energía solar puede

ser usada para diversos fines, como calentar agua, calefaccionar una

vivienda, generar electricidad etc.

a.- Reflejar la radiación recibida

b.- Conducción + convección

c.- Radiación (emisión) las radiaciones de mayor longitud, pertenecientes

al campo infrarrojo, medido por su emitancia (ε)

Radiación absorbida – perd. Conducción – perd. Convección – perd. Radiación = Energía disponible

Dicha capacidad para absorber la radiación solar depende de su

“ennegrecimiento”

Características que deben tener los colectores solares

térmicos para absorber al máximo la radiación solar

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Absorción y Emisión de la Radiación Solar

MATERIAL αs ε

superficie selectiva 0,9 0,1

metal pulido 0,3 0,1

papel de aluminio 0,15 0,05

alquitrán 0,85 0,85

pintura negra mate 0,9 0,95

cubierta de tejas 0,8 0,9

cubierta de fibrocemento 0,8 0,95

hormigón 0,6 0,9

pintura al aluminio 0,2 0,5

nieve 0,3 0,9

pintura blanca brillante 0,2 0,9

vidrio claro de 3mm 0 0,9

En la siguiente tabla podemos ver los valores de absorbancia solar

(αs) y emitancia (ε), para distintos colores y materiales

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Lo ideal serían las superficies selectivas, con alto αs y bajo ε.

Por lo tanto a efectos prácticos y económicos para aprovechamiento solar, nuestro

colector sería negro mate, con un vidrio en nuestra parte superior, para disminuir

las pérdidas por radiación (rayos infrarrojos) y un fuerte aislamiento térmico en

sus paredes para disminuir las pérdidas por conducción.

Absorción y Emisión de la Radiación Solar

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Efecto Invernadero

Fu

ndació

nE

ne

rgiz

ar

-2

014-

Superficies selectivas

Se puede considerar que la absortividad y emisividad de un material para determinada longitud de

onda son iguales (Ley de Kirchoff)

Por ej. la pintura negra, presenta ambas propiedades elevadas y constantes para todo el espectro

solar

Pero para un colector solar lo importante es que presente alta absortividad para las longitudes del

espectro solar y baja emisividad para la banda de emisión de la placa absorvedora, estas son las

llamadas pinturas selectivas.

Resumiendo, una superficie selectiva busca:

•Alta absorbancia (alta emitancia) para longitudes de onda < 3 µm

•Baja emisividad (baja absorbancia) para longitudes de onda > 3 µm

de 0 a 3 µm se denomina BANDA SOLAR