Componentes de la Radiación Solar

La Radiación Solar que incide sobre la capa exterior de la Atmósfera, se conoce bajo el nombre de Irradiancia Solar Total Extraterrestre (TSI)16 y corresponde a la cantidad de energía proveniente del Sol por unidad de área, que recibe todo punto de la Atmósfera Terrestre en cada instante de tiempo. Su valor promedio es cercano a los 1368 (W/m2)17,

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Estimación horaria de la Irradiancia Solar Total Extraterrestre.

<http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtualdata/publicaciones/geologia/vol10_n19/a07.pdf >.

17 _{NASA Earth Observatory, Solar Radiation and Climate Experiment (SORCE)}

25 variando espacial y temporalmente de acuerdo a la posición de un punto en particular sobre la Tierra y de la posición de ésta respecto al Sol.

Al atravesar la atmósfera, la Radiación solar sufre diversos efectos de reflexión, absorción y dispersión, en donde parte de ésta energía es reflejada por la misma atmósfera, mientras que el resto, es absorbida y dispersada por la nubosidad, océanos y masas terrestres. Por tanto, la Radiación Solar alcanza la superficie terrestre de dos maneras distintas; como Irradiancia Directa o como Irradiancia Difusa:

 Irradiancia Directa Normal (DNI): Corresponde a la magnitud de radiación solar por unidad de área, recibida por una superficie en un plano perpendicular a la dirección de los rayos del sol desde su posición actual en el cielo18.

 Irradiancia Difusa Horizontal (DHI): Corresponde a la magnitud de radiación solar dispersada en la atmósfera y que llega a una superficie horizontal reflejada desde todo el cielo visible (11).

Otro parámetro importante de considerar es el término de Irradiancia Global Horizontal. La GHI (Global Horizontal Irradiance)19, corresponde a la cantidad total de radiación de onda corta recibida por una superficie horizontal y es de particular interés para la instalación y uso de tecnologías solares, pues involucra tanto a la Irradiancia Directa Normal como la Irradiancia Difusa Horizontal. Los tres términos se relacionan matemáticamente de acuerdo a la siguiente ecuación20:

18 _{3TIER, Glossary of Technical Renewable Energy Terminology.}

<http://www.3tier.com/en/support/glossary/#dni>.

19

What is Global Horizontal Irradiance?

<http://www.3tier.com/en/support/solar-prospecting-tools/what-global-horizontal-irradiance-solar- prospecting/>.

20 _{Glossary of Solar Radiation Resource Terms.}

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𝑮𝑯𝑰 = 𝑫𝑯𝑰 + 𝑫𝑵𝑰 ∙ 𝐜𝐨𝐬(𝒁) (2.1)

Donde Z es el ángulo solar cenital (Zenith), que representa la posición del sol relativa a la normal local:

Figura 2.2: Ángulo cenital solar (Z).

Medición de la Radiación Solar 2.1.2.1

Para cuantificar la energía proveniente del Sol, existe una serie de instrumentos de medición, cuyos usos dependen de la parte del espectro electromagnético que se desea medir, la precisión requerida conforme a la información que se desea obtener y a la dirección en que proviene la radiación solar (Irradiancia Directa, Difusa o Global) (11):

 Piranómetro: Es un sensor que mide la radiación proveniente del sol en la banda comprendida entre 0,3 y 3 µm (de ultravioleta a infrarrojo cercano). Puede medir la Irradiancia proveniente de todo el cielo (GHI).

 Pirheliómetro: Es un instrumento de medición diseñado para medir la Irradiancia Normal Directa (DNI), limitado por un campo de visión de 5 grados, midiendo en línea recta la magnitud de la radiación del Sol. Éste instrumento requiere de un seguimiento continuo del astro, por lo que debe ser acoplado a un sistema móvil que

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 Sistema de Sombra: Para estimar la radiación difusa (DHI), se emplea comúnmente un sistema encargado de sombrear la radiación directa del Sol, midiendo solamente la DHI. De ésta manera, utilizando comúnmente un piranómetro, se adiciona un accesorio en forma de anillo, encargado de “tapar” sólo la circunferencia solar.

Figura 2.3: De izquierda a derecha: Piranómetro, Pirheliómetro y Piranómetro con Anillo de Sombra.

Cuantificación de la Radiación Solar en un Plano Inclinado 2.1.2.2

En presencia de la utilización de Tecnología Solar Fotovoltaica (Sección 2.2), la información obtenida acerca de la Radiación Solar, debe estar en función del plano del Panel (superficie del panel)21. Ésta premisa es fundamental para modelar el rendimiento de un sistema fotovoltaico y considera los siguientes aspectos:

 La definición de la orientación de los paneles, la cual puede ser fija o variable (sistemas de seguimiento: “Trackings”).

 La estimación de las contribuciones de las componentes directa y difusa.

21 _{PVPerformance Modeling Collaborative, Plane of Array (POA) Irradiance.}

28 Alternativamente, es posible medir la Irradiancia en el plano de arreglo de paneles (Plane of Array, POA) de manera directa con un piranómetro, celda de referencia o módulo de referencia, montado en la misma dirección que el arreglo de paneles. Para éste caso, se hace preciso considerar las distintas características de los sensores, de manera de asegurar que las correcciones realizadas a la Irradiancia POA sean las más adecuadas.

Para estimar el rendimiento de un sistema fotovoltaico, es fundamental considerar la Irradiancia POA como una función del tiempo, considerando también que ésta Irradiancia depende de diversos factores como la posición del Sol, la orientación del arreglo (fijo o con sistema de seguimiento), las componentes de la Irradiancia (Directa y Difusa), la reflectividad del suelo (Albedo) y las sombras (obstrucciones cercanas y lejanas). Por tanto, la relación matemática que describe a la Irradiancia POA, EPOA es:

𝑬_𝑷𝑶𝑨= 𝑬_𝒃+ 𝑬_𝒈+ 𝑬_𝒅 (2.2)

En donde Eb corresponde a la componente Directa, Eg a la componente reflejada desde el suelo y Ed a la componente Difusa del cielo.

29 De acuerdo a la relación anterior, la componente Directa Eb de la Irradiancia, puede calcularse mediante un ajuste de la Irradiancia Directa Normal (DNI) de acuerdo al ángulo de incidencia (AOI, Angle of Incidence):

𝑬𝒃 = 𝑫𝑵𝑰 ∙ 𝐜𝐨𝐬(𝑨𝑶𝑰) (2.3)

Junto con lo anterior, el AOI entre los rayos solares y el arreglo de paneles fotovoltaicos puede calcularse mediante la siguiente relación:

𝑨𝑶𝑰 = 𝒄𝒐𝒔−𝟏_{[𝐜𝐨𝐬(𝜽}

𝒛) 𝐜𝐨𝐬(𝜽𝑻) + 𝐬𝐢𝐧(𝜽𝒛) 𝐬𝐢𝐧(𝜽𝑻) 𝐜𝐨𝐬(𝜽𝑨− 𝜽𝑨,𝒂𝒓𝒓𝒂𝒚)] (2.4) Donde θA y θZ, corresponden a los ángulos solares Azimut

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y Cenital y θT y θA,Array, corresponden al ángulo de inclinación y al ángulo Azimutal del arreglo de paneles respectivamente.

Por otro lado, la radiación que es reflejada por el suelo y que incide sobre una superficie inclinada, Eg, puede ser calculada en función de la reflectividad del suelo (Albedo) y el ángulo de inclinación de la superficie θT, surf:

𝑬_𝒈 = 𝑮𝑯𝑰 ∙ 𝒂𝒍𝒃𝒆𝒅𝒐 ∙(𝟏−𝐜𝐨𝐬(𝜽𝑻,𝒔𝒖𝒓𝒇))

𝟐 (2.5)

Finalmente, la radiación Difusa del cielo puede dividirse en tres aristas principales, comprometiendo a la Componente Isotrópica (representa la Irradiancia uniforme del cielo), la componente Difusa (Representa la dispersión de la radiación, concentrada en la zona que rodea inmediatamente al Sol) y a la Componente del brillo del Horizonte.

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La convención para el ángulo Azimutal, se define como el ángulo medido a partir del Norte geográfico en el sentido de las agujas del reloj (ej. Norte=0°, Este=90°, Oeste=270°). El Azimut de un arreglo, corresponde al vector normal a la superficie del arreglo en el plano horizontal. La inclinación del arreglo de paneles, se define como el ángulo desde la horizontal.

30 Para la estimación de la radiación Difusa, existen actualmente diversos modelos que difieren de acuerdo a su nivel de precisión. Para efectos prácticos, se hará mención del Modelo Isotrópico, debido a que corresponde al modelo más simple dentro de los modelos difusos23. Para calcular la Irradiación difusa Isotrópica, Ed,iso, se toma en consideración una proporción de la Irradiancia Difusa Horizontal (DHI) de la siguiente manera:

𝑬_{𝒅,𝒊𝒔𝒐}= 𝑫𝑯𝑰 ∙𝟏+𝐜𝐨𝐬(𝜽𝑻)

𝟐 (2.6)

Donde θT, es el ángulo de inclinación del arreglo de paneles.