UNIVERSIDAD DE NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
TESIS
EVALUACIÓN EXPERIMENTAL DEL MODELO ISOTRÓPICO Y ANISOTRÓPICO DE LA RADIACIÓN SOLAR A LAS
CONDICIONES DEL VALLE DEL MANTARO
PRESENTADO POR:
CARCAUSTO GAMARRA, Iván CERRON SOTOMAYOR, Gisela Wendy
Para optar el título profesional de Ingeniero Químico
Huancayo-Perú
2016
ii ASESOR:
Ms. ORLANDO VILCA MORENO
iii DEDICATORIA
WENDY
A Dios todopoderoso por darme la fortaleza necesaria para culminar este proyecto y por guiarme en todo momento.
A mis padres por el ejemplo de perseverancia, amor, trabajo, ayuda en los momentos difíciles y en mi formación profesional con el objetivo de conseguir mis metas.
A mis hermanos por estar siempre presentes, acompañándome en todas circunstancias. A mi abuelo que me guía y me cuida desde el cielo y a mi abuelita por su apoyo incondicional durante toda la etapa de mi vida.
IVAN
A Dios por darme la vida y a la fuente de inspiración, a mis padres María y José quienes me apoyaron a lo largo de toda mi vida conduciéndome y enseñándome a caminar por los sinuosos caminos de la vida; a ellos gracias por todo. A mis hermanas y hermanito Diego por haberme apoyado en mis estudios y también durante mi existencia
iv AGRADECIMIENTO
A Dios por su infinita bondad, por darnos salud, entendimiento y permitirnos lograr nuestros objetivos.
A nuestro asesor al Ms. Orlando Vilca Moreno por el apoyo, experiencia y ser guía principal para el desarrollo de todo el proyecto siendo un logro más en nuestra carrera profesional.
A nuestros docentes, por compartir sus conocimientos, experiencias y oportunas orientaciones, consejos que fue una herramienta esencial para la culminación del proyecto.
Un agradecimiento especial a nuestros compañeros de estudio y amigos, con quienes compartimos años maravillosos, llenos de sobresaltos, propios de la etapa que vivíamos, alegrías y hermosos recuerdos que jamás olvidaremos.
Agradecer, a toda nuestra familia, nuestros padres, hermanos y abuelos quienes con su sabiduría guiaron nuestro camino y nos ofrecieron palabras de aliento brindándonos su apoyo incondicional.
v RESUMEN
La presente tesis se realizó en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Nacional del Centro del Perú, cuyo objetivo es evaluar experimentalmente el modelo isotrópico y anisotrópico de la radiación solar a las condiciones del Valle del Mantaro. Para la evaluación se consideró tres condiciones climáticas: día claro o soleado, nublado y parcialmente nublado. En la parte experimental, se realizaron 30 experimentaciones (30 días) entre los meses de noviembre del 2015 a marzo del 2016, que consistieron en el registro de la irradiancia solar sobre la superficie horizontal e inclinada, en intervalos de 5 min desde las 6 am a 6 pm. Los ángulos de las superficies inclinadas fue 10°, 20°,30°, 40° y 50°
orientadas al norte o sur, porque en ese rango se encuentra el ángulo de inclinación óptimo de los equipos que aprovechan la energía solar. La irradiancia solar que incide sobre una superficie inclinada considera la irradiancia directa, difusa y reflejada, y el modelo isotrópico y anisotrópico únicamente estiman la irradiancia solar difusa, los otros componentes ya están definidos en su estimación. Para las estimaciones del estudio, las relaciones matemáticas fueron implementadas en el lenguaje de programación Matlab. Para medir el grado de contraste de los modelos y las mediciones, se utilizaron fundamentalmente los siguientes indicadores: Eficiencia de Modelado (MEF), Coeficiente de Determinación del Modelo (CD), Coeficiente de Error(C) y error relativo, cuyos valores promedios para el modelo isotrópico y anisotrópico son: 0.23 y 0.24, 1.26 y 1.32, 0,44 y 0.43, y 42.92% y 42.41%, respectivamente; por lo que se concluye que el contraste entre las estimaciones de los modelos y las mediciones experimentales no refleja un buen ajuste entre ellos, pero entre los modelos el anisotrópico es ligeramente mejor.
.
vi INTRODUCCION
El sol es una fuente de energía. Sin su luz y calor, la vida humana en nuestro planeta no sería posible. El impacto que produce la posibilidad de utilizar la energía solar en forma controlada y para nuestros fines, ha permitido el desarrollo de sistemas completos de transformación, almacenamiento y distribución según convenga.
La energía del sol es eternamente renovable y fácilmente almacenable. La gran variedad de formas de almacenamiento y características particulares de cada una de ellas permiten su utilización con gran versatilidad, desde la pequeña escala hasta la interconexión con redes nacionales de energía eléctrica.
La disponibilidad de energía en el mundo se ha convertido en un problema crucial, dado que la gran mayoría de los países, tanto los en vías de desarrollo como los industrializados, se ven afectados por las crecientes demandas requeridas para satisfacer sus metas económicas y sociales.
La evaluación del diseño, simulación y rendimiento de sistemas de energía solar involucra evaluar la eficacia de la radiación solar sobre superficies inclinadas. Para tal fin, es necesario tener modelos matemáticos que estiman la irradiancia solar con exactitud y precisión, por ello surge la necesidad de evaluar experimentalmente estos modelos para cuantificar el error de sus estimaciones, por lo que en la presente tesis se realizó la evaluación experimental del modelo isotrópico y anisotrópico de la radiación solar a las condiciones del Valle del Mantaro.
Para el desarrollo de la tesis, se organizó la información en capítulos como se describen a continuación: El primer capítulo contiene el marco teórico, donde involucra los antecedentes que son la base de la presente investigación, las bases teóricas que sustentan a cada una de las variables de estudio, y los conceptos más utilizados en la investigación. En el segundo capítulo se presenta la parte experimental, descripción de los materiales, equipos e instrumentos, procedimiento y la parte computacional. En el tercer capítulo, los resultados, discusión de resultados, conclusiones, recomendaciones, bibliografía y anexos, respectivamente.
vii OBJETIVOS
Objetivo General
Evaluar experimentalmente el modelo isotrópico y anisotrópico de la radiación solar a las condiciones del Valle del Mantaro.
Objetivos Específicos
Recopilar información de la radiación solar diaria promedio mensual en el Valle del Mantaro.
Estimar la radiación solar utilizando el modelo isotrópico y anisotrópico.
Determinar las medidas de desviación: eficiencia de modelado, coeficiente de determinación del modelo y coeficiente de error respecto al modelo isotrópico y anisotrópico.
viii NOMENCLATURA
Símbolo Descripción Unidades
Gsc Constante solar W/m2
G0(n) Radiación solar extraterrestre en un día del año W/m2/día G0 Radiación solar extraterrestre sobre la superficie normal W/m2
N Número de orden del día en el año
Pg Reflectancia o albedo adimensional
Lst Longitud o meridiano estándar para la zona del tiempo local Grados (°)
Lloc Longitud del lugar en estudio Grados (°)
E Ecuación del tiempo Minutos
𝛿 Declinación Grados (°)
Latitud Grados (°)
𝛽 Angulo de inclinación de la superficie y la horizontal Grados (°)
𝛾 Angulo de acimut de la superficie Grados (°)
𝛾𝑆 Angulo acimutal solar Grados (°)
𝜔 Angulo horario del sol por día Grados (°)
𝜃 Angulo de incidencia en la superficie Grados (°)
𝜔𝑠 Angulo horario de puesta y salida del sol Grados (°)
𝜃𝑧 Angulo de cenit Grados (°)
ts Tiempo de puesta y salida del sol s
tday Longitud del día s
Rb Factor geométrico (razón entre la radiación solar directa en una superficie inclinada y la superficie horizontal).
H0 irradiación extraterrestre diaria en la superficie horizontal W/m2/día I0 irradiación extraterrestre horaria en la superficie horizontal W/m2/s 𝐻̅ Radiación diaria promedio mensual en una superficie
horizontal.
W/m2/día
kT Índice de claridad
Id Radiación solar difusa en una superficie horizontal W/m2/s Ib Radiación solar directa en una superficie horizontal W/m2/s
Ai Factor del índice anisotrópico W/m2/s
ITd Radiación solar difusa en una superficie inclinada W/m2/s ITb Radiación solar directa en una superficie inclinada W/m2/s
ix I Radiación solar total en una superficie horizontal W/m2/s H Radiación extraterrestre sobre una superficie horizontal W/m2/día
IT Radiación solar total W/m2/s
ITHZ Radiación solar difusa del horizonte en una superficie inclinada
W/m2/s
IT,d,cs Radiación solar difusa circunsolar en una superficie inclinada W/m2/s ITref Radiación solar difusa reflejada en una superficie inclinada W/m2/s Fc-s Factor de vista del cielo
Id,T Radiación solar difusa total W/m2/s
IT,diso Radiación solar difusa isotrópica W/m2/s
x INDICE
CARATULA i
ASESOR ii
DEDICATORIA iii
AGRADECIMIENTO iv
RESUMEN v
INTRODUCCION vi
OBJETIVOS vii
NOMENCLATURA viii
INDICE X
INDICE DE FIGURAS Xii
INDICE DE TABLAS Xiii
CAPITULO I MARCO TEORICO
1.1.ANTECEDENTES 1
1.2.BASES TEÓRICAS 3
1.2.1. FUENTES DE ENERGÍA RENOVABLE. 3
1.2.1.1. Energía Solar. 3
1.2.1.2. Energía eólica. 4
1.2.1.3. Energía de la biomasa. 4
1.2.1.4. Diferencia de temperatura oceánica (OTEC). 4
1.2.1.5. Energía de las olas. 4
1.2.1.6. Energía hidráulica. 4
1.2.1.7. Energía de las mareas. 5
1.2.2. FUENTE DE ENERGÍA NO RENOVABLE 5
1.2.2.1. Fuentes de energía fósil. 5
1.2.2.2. Energía geotérmica 6
1.2.2.3. Energía nuclear 6
1.2.3. ENERGÍA RENOVABLE Y EL MEDIO AMBIENTE. 6
1.2.3.1. El cambio climático. 6
1.2.3.2. El protocolo de Kioto. 6
1.2.4. ENERGIA SOLAR. 7
1.2.4.1. Introducción a la energía solar. 7
1.2.5. EL SOL COMO FUENTE DE ENERGÍA.
1.2.6. CARACTERÍSTICAS.
1.2.7. PROPIEDADES DE LA RADIACIÓN SOLAR.
1.2.8. TIPOS DE LA RADIACIÓN SOLAR.
1.2.9. USOS DE LA ENERGÍA SOLAR.
8 11 11 12 13 1.2.9.1. Producción de agua caliente sanitaria (ACS) 14
1.2.9.2. Calentamiento de aguas de piscinas. 14
1.2.9.3. Aire acondicionado mediante máquinas de absorción. 15 1.2.9.4. Aplicación de la energía solar al tratamiento térmico de suelos de
invernadero.
15
1.2.9.5. Generación fotovoltaica 15
1.2.9.6. Generación con energía solar térmica. 16
xi
1.2.9.7. Hornos solares. 17
1.2.9.8. Iluminación solar vial. 17
1.2.10. Radiación solar en el Perú 18
1.2.11. Naturaleza de la energía solar 22
1.2.12. Absorción y dispersión de la luz por la atmósfera. 25 1.2.13. Reflexión de la luz solar y efecto invernadero. 27 1.2.14. Variación de la insolación diaria con la latitud y con la estación del
año
27 1.2.15. La constante solar.
1.2.16. Coordenadas celestes
31 33
1.2.17. Tiempo solar 35
1.2.18. Dirección de la radiación solar directa 36
1.2.19. Razón entre la radiación solar directa en una superficie inclinada y la superficie horizontal.
38 1.2.20. Radiación extraterrestre sobre la superficie normal. 39 1.2.21. Radiación extraterrestre sobre la superficie horizontal 39 1.2.22. Estimación de la radiación solar promedio. 40 1.2.23. Distribución de los días y horas claras y nubladas. 41 1.2.24. Componente directo y difuso de la radiación por hora. 41 1.2.25. Estimación de radiación horaria a partir de datos diarios. 42
1.2.26. Radiación en superficies inclinadas. 43
1.2.27. Radiación en superficies inclinadas: cielo isotrópico. 44 1.2.28. Radiación en superficies inclinadas: cielo anisotrópico. 45 1.2.29. Medidas de desviación para validar un modelo matemático
1.2.30. Instrumental de medición de la radiación solar
47 48 Instrumento solarimétrico.
Pirheliómetro.
Piranómetro.
Actinógrafo Heliógrafo
49 49 50 51 51
1.3. Marco conceptual o glosario. 52
CAPITULO II PARTE EXPERIMENTAL
2.1. MATERIALES, EQUIPOS E INSTRUMENTOS. 53
2.1.1. Materiales 53
2.1.2. Equipos e instrumentos 53
2.2. PROCEDIMIENTO 54
2.2.1. Calibración del sensor de radiación solar 54
2.2.2. Recolección de datos
2.2.3. Diagrama del módulo experimental 2.2.4. Parte computacional
2.2.5. Procedimiento de cálculo para estimar la irradiancia solar para el modelo isotrópico y anisotrópico.
2.2.6. Procedimiento de cálculo para determinar los indicadores de desviación
54 55 57 57 58
xii CAPITULO III
RESULTADOS Y DISCUSION
3.1. Radiación solar diaria promedia diaria mensual en el valle del Mantaro 59 3.2. Estimación de la radiación solar promedio sobre la horizontal 59 3.3. Estimación de la radiación solar promedio sobre una superficie inclinada 60 3.4. Medidas de desviación respecto a la radiación solar en la horizontal 62 3.5. Medidas de desviación respecto a la radiación solar en la superficie
inclinada
67 3.6. Comparación de resultados de los modelos matemáticos 75
CONCLUSIONES 86
RECOMENDACIONES 87
BIBLIOGRAFIA 88
ANEXOS 90
Anexo 1: Graficas de radiación solar en una superficie horizontal e inclinada 91
Anexo 2: Diagrama de flujo del programa 98
Anexo 3: Angulo de inclinación óptimo para cada día del año 101
Anexo 4: Fotografias 102
Anexo 5 Certificado de calibración del Solarímetro sl100 106 INDICE DE FIGURAS
Figura 1.1: Estructura del sol 9
Figura 1.2: Energía radiante que impacta en un cuerpo. 12
Figura 1.3: Utilización de energía solar térmica. 14
Figura 1.4: Huertas solares 16
Figura 1.5: Esquema de una central de generación termo solar. 16
Figura 1.6: Horno solar. 17
Figura 1.7: Luminaria solar. 18
Figura 1.8. Comportamiento de la irradiación solar extraterrestre estacional. 21 Figura 1.9: Variación de la constante solar a lo largo del año. 23 Figura 1.10: Potencia de la Radiación solar fuera de la atmósfera. 24
Figura 1.11: Trayectorias estacionales del sol. 27
Figura 1.12: Movimiento de la tierra alrededor del sol. 28 Figura 1.13: Radiación solar que incide en primavera y otoño 29 Figura 1.14. Optimización de la inclinación de una superficie a lo largo de las
estaciones.
29 Figura 1.15: Variación de la insolación en días despejados. 30
Figura 1.16: Relación entre sol – tierra 32
Figura 1.17. Longitud de onda 33
Figura 1.18: Dirección de la radiación solar directa 36 Figura 1.19: Radiación directa con la horizontal y la superficie inclinada. 38 Figura 1.20: Grafica de la fracción difusa versus el índice de claridad. 42 Figura 1.21: Esquema de la distribución de la radiación difusa sobre la cúpula 43
xiii Figura 1.22: Radiación directa, difusa y reflejada en una superficie inclinada. 45
Figura 1.23: Pirheliómetro de compensación Angstrom 50
Figura 1.24: Piranómetro Kipp y Zonen 50
Figura 1.25: Actinógrafo o piranómetro bimetálico de Robitzch 51
Figura 1.26: Heliógrafo Campbell-Stokes 52
Gráfico 3.1: Radiación solar diaria promedio mensual 59 Grafico 3.2: Angulo de inclinación óptimo de un colector solar de tubos
evacuados en el valle del Mantaro
62 Gráfico 3.3. Radiación solar total experimental y estimada en la superficie
horizontal del día 05/12/2015 (día soleado)
63 Gráfico 3.4. Radiación solar total experimental y estimada en la superficie
horizontal del día 29/11/2015 (día nublado).
64 Gráfico 3.5. Radiación solar experimental, estimada y sesgo para el día
05/12/2015 (día soleado).
66 Gráfico 3.6. Radiación solar experimental, estimada y sesgo para el día 29/11/2015 (día nublado).
67 Gráfico 3.7. Radiación solar total experimental y estimada en la superficie
inclinada del día 05/12/2015 (día soleado).
68 Gráfico 3.8. Radiación solar total estimada y experimental en una superficie
inclinada del día 29/11/2015 (día nublado).
69 Gráfico 3.9. Radiación solar estimada por el modelo isotrópico vs. Sesgo y
radiación solar experimental, del día 05/12/2015(día soleado).
71 Gráfico 3.10. Radiación solar estimada por el modelo isotrópico vs. Sesgo y
radiación solar experimental, del día 29/11/2015 (día nublado).
72 Gráfico 3.11. Radiación solar estimada por el modelo anisotrópico vs. Sesgo
y radiación solar experimental, del día 05/12/2015 (día soleado).
74 Gráfico 3.12. Radiación solar estimada por el modelo anisotrópico vs. Sesgo
y radiación solar experimental, del día 29/12/2015(día nublado).
Gráfico 3.13. Radiación solar sin corrección estimada por el modelo isotrópico y la cantidad de energía que aprovecha cada colector solar, del día 22/02/2016 (día soleado).
Gráfico 3.14. Radiación solar real corregida por el error relativo promedio obtenido de las experimentaciones y la cantidad de energía que aprovecha cada colector solar, para el día 22/02/2016 (día soleado).
Gráfico 3.15. Radiación solar sin corrección estimada por el modelo anisotrópico y la cantidad de energía que aprovecha cada colector solar, Gráfico 3.16. Radiación solar real corregida por el error relativo promedio obtenido de las experimentaciones y la cantidad de energía que aprovecha cada colector solar, para el día 22/02/2016 (día soleado).
75 80
81
84 85
xiv INDICE DE TABLA
Tabla 1.1: Composición del sol 11
Tabla 1.2: Ecuaciones para convertir el día del mes 24 Tabla 1.3. Efecto de la inclinación hacia el sur de una superficie colectora 31 Tabla 2.1: Especificaciones técnicas del solarímetro SL100 53 Tabla 2.2. Resumen de los datos experimentales registrados. 57 Tabla 3.1: Promedios de la radiación solar experimental y estimada sobre la
superficie horizontal
60 Tabla 3.2: Promedios de la radiación solar experimental y estimada utilizando
el modelo isotrópico y anisotrópico
61 Tabla 3.3: Medidas de desviación promedios respecto a la radiación solar en la
horizontal
65 Tabla 3.4: Medidas de desviación promedios respecto a la radiación solar en
una superficie inclinada por el modelo isotrópico.
70 Tabla 3.5: Medidas de desviación promedios respecto a la radiación solar en
una superficie inclinada por el modelo anisotrópico
Tabla 3.6 Resultados promedios del modelo isotrópico y anisotrópico para un día soleado (S)
Tabla 3.7: Resultados promedio del modelo isotrópico y anisotrópico para un día parcialmente nublado (NP)
Tabla 3.8 Resultados promedio del modelo isotrópico y anisotrópico para un día nublado (N).
Tabla 3.9:Resultados promedios para las tres condiciones climáticas tanto para el modelo isotrópico y anisotrópico
Tabla 3.10 Irradiación solar por día estimada por el modelo isotrópico.
Tabla 3.11 Irradiación solar diaria corregida por el porcentaje de error determinado por el modelo isotrópico.
Tabla 3.12 Irradiación solar por día estimada por el modelo Anisotrópico.
Tabla 3.13 Irradiación solar diaria corregida por el porcentaje de error determinado por el modelo anisotrópico.
73 75 76 76 76 78 79 82 83
CAPITULO I
REVISIÓN BIBLIOGRAFICA 1.1. ANTECEDENTES DEL PROBLEMA.
Pierre (2007) en su investigación titulada “Comparison and validation of three global-to- beam irradiance models against ground measurements” presenta la comparación y validación de 3 modelos de irradiación directa, difusa y global con las mediciones desde la tierra, de 22 lugares por lo que abarca un amplio rango de latitudes, altitudes y climas. Uno de los tres modelos tiene en cuenta un clima de turbidez y da resultados ligeramente mejores en términos de sesgo y exactitud. En un intervalo de tiempo por hora, la validación en más de 100000 valores, muestra que la irradiación directa puede ser evaluada de la componente horizontal global con un sesgo insignificante y una exactitud de 85 W/m2 y 23%
respectivamente. Cuando se utilizan los modelos de datos con un paso tiempo más corto, el rendimiento disminuye, pero sigue siendo aceptable. Con una modificación del modelo de DirIndex, el rendimiento puede aumentar ligeramente y alcanzar un sesgo de 2% y una exactitud del 28% durante 10 min. Concluye que los 3 modelos tienen un comportamiento muy similar y son comparables en términos de sesgo y exactitud. El uso del modelo DirIndex con vapor de agua y turbidez recuperado como valores mensuales de los bancos de datos climáticos mejora ligeramente el sesgo e índice Raíz del Error Cuadrado Medio, un mejor conocimiento de estos parámetros puede mejorar la precisión de los valores de irradiación directa producida. La validación con datos de Ginebra con 5 integraciones de diferentes longitudes de tiempo muestra que sus comportamientos disminuyen con la longitud de la integración, pero sigue siendo aceptable. (Pierre, 2007)
Kaushika, Tomar & Kaushik (2014) en su investigación titulada "Artificial neural network model based on interrelationship of direct, diffuse and global solar radiations”
presentan un modelo de red neuronal basada en un enfoque explícito utilizando las características de interrelación de la radiación solar directa, difusa y global. El algoritmo de cálculo estima los componentes globales, difusos y directos a través de cielo claro. Las desviaciones de estas estimaciones se consideran que son debido a fenómenos meteorológicos aleatorios caracterizados por los índices de claridad. Los índices de claridad correspondientes para diferenciar los componentes difusos y globales de la radiación solar, son mapeados con los datos de hora a un plazo mensual promedio de los parámetros relacionados con el clima, como la duración de la luz del sol por hora, humedad relativa
2 media y la precipitación total en el análisis de redes neuronales artificiales (ANN). Las estimaciones del modelo ANN presentan una excelente compatibilidad con las observaciones para la radiación global con índices de la Raíz del Error Cuadrado Medio (RMSE) y Media del Error Sesgado (MBE) de 5.19% y -0.194%, respectivamente. Los valores de RMSE de los meses húmedos (julio, agosto, septiembre, octubre) son relativamente más altos que los meses secos (enero, febrero, marzo, abril), debido a los intensos vientos estacionales en la región de la India. Los mapas de contorno de los cálculos del modelo ANN de radiación global en función de la latitud, se presentan por hora del día y mes del año. El modelo es prometedor para ser utilizable en la predicción de componentes directos, difusos y globales de la radiación solar en un lugar arbitrario. Un estudio comparativo de las estimaciones del modelo actual ANN con la meteorología de superficie de la NASA y los datos de energía solar establecido exhibe buena compatibilidad. La radiación solar global en planos inclinados también se ha investigado con el uso de condiciones de cielo isotrópico y anisotrópico. Los resultados parecen estar favoreciendo al modelo isotrópico durante todo el año en Nueva Delhi (28.58 °N). (N.D, R.K, & S.C, 2014) Andrea & Davide realizaron una investigación titulada “Measurement and modeling of solar irradiance components on horizontal and tilted planes”. Las mediciones de irradiancia registradas por hora en los planos inclinados se comparan con las estimaciones dadas por uno isótropo y tres modelos de transposición anisótropas. El uso de un modelo anisotrópico, en base a una descripción física de la radiación difusa, proporciona una precisión mucho mejor, especialmente cuando las mediciones de la irradiancia difusa en el plano horizontal no están disponibles. La estimación de la radiación solar en planos inclinados puede llevarse a cabo mediante la aplicación de los modelos de transposición, que convertir la radiación solar en el plano horizontal para el plano inclinado. El enfoque clásico de estos modelos es tratar por separado los componentes de radiación solar; por lo tanto su uso requiere el conocimiento de la directa y la difusa e irradiancia horizontal. La caracterización completa de la radiación solar en el plano horizontal se puede obtener midiendo la irradiancia global y ya sea el haz o la difusa. Un sistema común y barato es medir la irradiancia difusa con una sombra Occults banda que el sensor del piranómetro de la radiación directa. Este procedimiento requiere la introducción de un factor de corrección para las lecturas experimentales. Son fáciles de usar, pero se desarrolla cada una de correlación a partir de las mediciones realizadas en algunas específicas estaciones; por lo tanto, su exactitud debe ser cuidadosamente evaluada si se aplican para lugares diferentes de los incluidos en las bases de datos utilizadas para su desarrollo. Varios estudios experimentales, como por ejemplo
3 Olmo et al. (1999), Vartiainen (2000), Notton et al. (2006a, b), Evseev y Kudish (2009), han investigado la predicción de irradiancia solar en planos inclinados. Pero, estas contribuciones no se centran en la precisión experimental de datos utilizados para evaluar los modelos de radiación solar. Myers (2005), Gueymard y Myers (2009) tienen informado que la medición de la irradiancia solar puede ser afectada por una gran incertidumbre en determinadas condiciones de cielo; tanto estos trabajos ponen de manifiesto la importancia de discutir la incertidumbre experimental de datos de irradiancia. El uso del modelo anisotrópico Pérez et al. (1990a) o HDKR (Reindl et al., 1990b) es recomendable solo cuando se dispone datos de la radiación global en el plano horizontal y para el lugar en cuestión y cuando la orientación del plano inclinado esta opuesta del sur. (Padovan & Del Col, 2010)
1.2. BASES TEORICAS
1.2.1. Fuentes de energía renovable.
Se llama fuente de energía renovable a aquella que es administrada en forma adecuada, puede explotarse ilimitadamente, es decir, su cantidad disponible (en la tierra) no disminuye a medida que se aprovecha. Las energías renovables junto con el ahorro y la eficiencia energética, son la llave para un futuro energético limpio, eficaz, seguro y automático. Un futuro que debe de hacer presente con medidas urgentes y decididas, como única forma de evitar la amenaza nuclear y el calentamiento global del planeta, problemas que se deben a nuestro desenfrenado consumo de energía y a su irresponsable e irracional modo de producción. La energía renovable impulsa el empleo y la economía regional, las inversiones en proyectos de energías renovables utilizan materiales y recursos humanos para construir y mantener las instalaciones, en lugar de importar recursos energéticos costosos. La economía regional, y el propio municipio se benefician, al generar empleo, recursos energéticos y proveer el recurso energético local, en vez de que este desarrollo se realice en las regiones exportadoras de energía.
1.2.1.1. Energía solar.
La energía solar, como recurso energético terrestre, está constituida simplemente por la porción de la luz que emite el sol y que es interceptada por la tierra. En el Perú, debido a su orografía la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la Sierra peruana.
1.2.1.1.1 Energía solar directa.
Una de las aplicaciones de la energía solar es directamente como luz solar, por ejemplo, para la iluminación de recintos. En este sentido, cualquier ventana es un colector solar.
Otra aplicación directa, muy común, es el secado de ropa y algunos productos en procesos de producción con tecnología simple.
4 1.2.1.1.2. Energía solar térmica.
Se denomina térmica a la energía solar cuyo aprovechamiento se logra por medio del calentamiento de algún medio. La climatización de viviendas, calefacción, refrigeración, secado, etc.; son aplicaciones térmicas.
1.2.1.1.3. Energía solar fotovoltaica.
Se llama “fotovoltaica” a la energía solar aprovechada por medio de celdas fotoeléctricas, capaces de convertir la luz en un potencial eléctrico, sin que tenga lugar un efecto térmico.
1.2.1.2. Energía eólica.
La energía eólica es la energía que se extrae del viento. Las aplicaciones más comunes son: trasporte (veleros), generación eléctrica y bombeo de agua.
La energía eólica es derivada de la energía solar porque una parte de los movimientos del aire atmosférico se debe al calentamiento causada por el sol (también existe un efecto de la rotación de la tierra y otro de la atracción gravitacional de la luna y sol).
1.2.1.3. Energía de la biomasa.
La forma más antigua de aprovechamiento de la energía solar, inventada por la naturaleza misma es la fotosíntesis. Mediante este mecanismo las plantas elaboran su propio alimento (su fuente de energía) y el de otros seres vivientes en las cadenas alimenticias.
Pero también mediante fotosíntesis se obtienen otros productos, como la madera, que tienen muchas aplicaciones, además de su valor energético. A partir de la fotosíntesis puede utilizarse la energía solar para producir substancias con alto contenido energético (liberable mediante una combustión) como el alcohol y el metal.
1.2.1.4. Diferencia de temperatura oceánica.(OTEC)
Se ha propuesto utilizar la diferencia de temperatura que existe entre la superficie del océano (unos 20℃ o más en zonas tropicales) y la correspondiente a unas decenas de metros a bajo de la superficie (cercana a 0℃ ), para proporcionar los flujos de calor que impulse a un ciclo termodinámico y pueda producir otras formas de energía).
1.2.1.5. Energía de las olas.
También se ha propuesto aprovechar, en ciertos lugares privilegiados, el vaivén de las olas del mar para generar energía eléctrica. Las olas son, a su vez, producidas por el efecto del viento sobre el agua. Por tanto, también es una forma derivada de la energía solar.
1.2.1.6. Energía hidráulica.
La energía hidráulica es la que se obtiene a partir de caídas de agua, artificiales o naturales. Típicamente se construyen presas en los lugares con una combinación gasto anual de agua y condiciones orográficas adecuadas. Estrictamente, también este es una
5 forma de energía derivada de la energía solar, porque el sol provee la fuerza impulsora del ciclo hidrológico. Sin embargo, tradicionalmente se ha considerado con una forma de energía aparte.
1.2.1.7. Energía de las mareas.
En algunas regiones costeras se dan una mareas especialmente altas y bajas en estos lugares se ha propuesto construir grandes represas costeras que permitirían generar energía eléctrica con grandes volúmenes de agua aunque con pequeñas diferencias de altura. Es como la energía hidráulica, pero su origen es la atracción gravitacional del sol y principalmente de la luna, en vez del ciclo hidrológico. (Fernandez, 2010, págs. 6-8) 1.2.2. Fuente de energía no renovable
Se define usualmente como fuente de energía no renovable a aquella que esta almacenada en cantidades inicialmente fijas, comúnmente en el subsuelo. A medida que se consume un recurso no renovable, se va agotando.
Las reservas disponibles están sujetas a la factibilidad técnica y económica de su explotación, al descubrimiento de nuevos yacimientos y al ritmo de extracción y consumo. Dentro de las fuentes de energía no renovable, comúnmente se distingue principalmente entre tres tipos:
1.2.2.1. Fuentes de energía fósil.
Se llama energía fósil a la que se obtiene de la combustión (oxidación) de ciertas sustancias que, según la geología, se produjeron en el subsuelo a partir de la acumulación de grandes cantidades de residuos de seres vivos, hace millones de años.
Entre las sustancias combustibles, destacan:
1.2.2.1.1. Petróleo y sus derivados.
El petróleo es una mezcla de una gran variedad de hidrocarburos (compuestos de carbono e hidrógeno) en fase liquida, mezclados con una variedad de impurezas. Por destilación y otros procesos se obtienen las diversas gasolinas, el diésel, otros componentes pesados, etc. A nivel mundial ya no es un recurso abundante, y se encuentra muy sobre explotado, por motivos energéticos y financieros.
1.2.2.1.2. Gas natural.
El gas natural está compuesto principalmente por metano y corresponde a la fracción más ligera de los hidrocarburos, por lo que se encuentra en los yacimientos en forma gaseosa.
1.2.2.1.3. Carbón natural.
El carbón mineral está compuesto principalmente por carbono, también de origen fósil, que se encuentra en grandes yacimientos en el subsuelo. A nivel mundial el carbón
6 mineral es abundante, pero los problemas ecológicos que causa son aún mayores que los inherentes al petróleo y sus derivados.
1.2.2.2. Energía geotérmica.
La energía geotérmica consiste en extraer color del magma incandescente de la tierra, por medio de vapor. Mediante procesos térmicos es posible generar electricidad, en las plantas llamadas “geotermoeléctricas”. El magma se encuentra cerca de la superficie en las zonas con gran actividad volcánica y es donde es más explotable. En algunos casos el vapor o el agua caliente brota espontáneamente. En otros, es necesario inyectar agua en pozos y extraerla como vapor. Nótese que el aprovechamiento de la energía geotérmica no involucra una combustión.
1.2.2.3. Energía nuclear.
La energía nuclear se obtiene de la modificación de los núcleos de algunos átomos, muy pesados o muy ligeros. En esta modificación, cierta fracción de una masa se transforma en energía. La liberación de energía nuclear por tanto, tampoco involucra combustiones pero si produce otros sub productos agresivos al ambiente. (Fernandez, 2010, págs. 4-5) 1.2.3. Energía renovable y el medio ambiente
La creciente y excesiva dependencia energética exterior de España y la necesidad de preservar el medio ambiente y asegurar un desarrollo sostenible, obligan al fomento de fórmulas eficaces para un uso eficiente de la energía y la utilización de fuentes limpias.
Las energías renovables en tanto que fuentes energéticas autóctonas e inagotables permiten reducir la dependencia energética exterior contribuyendo a asegurar el suministro futuro. Otro aspecto muy importante a considerar es que el utilizar energías renovables no contribuye al efecto invernadero ni al cambio climático.
1.2.3.1. El cambio climático
El sector energético es la fuente más importante de gases de efecto invernadero. Los principales gases producidos son el 𝐶𝑂2 𝑦 𝐶𝐻4 derivados de la quema de combustibles fósiles, así como el de las minas de carbón y de las instalaciones de hidrocarburos y gas.
Los sectores formadores “producción de electricidad” y “refino” tienen una contribución al efecto invernadero del 30%.
1.2.3.2. El protocolo de Kioto
La entrada en vigor del protocolo de Kioto el 16 de febrero de 2005 supone q los países industrializados que lo han ratificado, entre ellos España, deben reducir sus emisiones de gases de efecto invernadero durante el periodo 2008-2010 respecto a los niveles de 1990.
7 La unión europea se comprometió a alcanzar una reducción de gases de efecto invernadero del 8% en 2010, así como cubrir el 12% de la demanda europea de energía primaria con energías renovables. (San, 2006, pág. 15)
1.2.4. Energía solar
1.2.4.1. Introducción a la energía solar
La disponibilidad de energía en el mundo se ha convertido en un problema crucial, dado que la gran mayoría de los países, tanto los en vías de desarrollo como los industrializados, se ven afectados por las crecientes demandas requeridas para satisfacer sus metas económicas y sociales.
A partir de los últimos años se ha reconocido como inevitable que la oferta de energía debe sufrir una transición desde su actual dependencia de los hidrocarburos hacia aplicaciones energéticas más diversificadas, lo que implica el aprovechamiento de la variedad de fuentes de energía renovables que se disponen. El sol es una fuente inagotable de recursos para el hombre. Provee una energía limpia, abundante y disponible en la mayor parte de la superficie terrestre y puede por lo tanto, liberarlo de los problemas ambientales generados por los combustibles convencionales, como el petróleo, y de otras alternativas energéticas, como las centrales nucleares. Sin embargo, a pesar de los avances tecnológicos de las últimas décadas, el aprovechamiento de esta opción ha sido insignificante, comparándolo con el consumo global de energía en el mundo.
Los problemas técnicos que se plantean para el aprovechamiento de la energía solar son los siguientes:
Gran dispersión de la energía solar sobre la superficie de la tierra.
Carácter incontrolable y variable en el tiempo de la intensidad de radiación solar.
La radiación solar que recibe una superficie horizontal es del orden de 1kW/m2 al medio día, variando según la latitud del lugar, nubosidad, humedad y otros factores, pero su principal problema es su intermitencia. En invierno, que es generalmente cuando más se necesita, es menor, de modo que en la mayoría de los casos la disponibilidad no coincide con la demanda. Por ello se requiere el almacenamiento para un tiempo de autonomía determinado y además, en caso de superarse el mismo, contar con el apoyo de sistemas de respaldo o fuentes suplementarias de energía. Por ello, el aprovechamiento destinado a la aplicación de la energía solar es necesario realizar los siguientes procesos:
Captación y concentración de la energía solar.
8
Transformación para su utilización.
Almacenamiento para satisfacer uniformemente la demanda con un tiempo de autonomía establecido.
Disponer de una fuente energética suplementaria disponible si se supera el tiempo de autonomía.
Transporte de la energía almacenada, para su utilización en los puntos de consumo.
(Fernandez, 2010, pág. 1)
1.2.5. El sol como fuente de energía.
El sol es una esfera de materia gaseosa de intenso calor con un diámetro de 1.39x109m y tiene una distancia promedia con la tierra de 1.5x1011m visto desde la tierra el sol tiene una rotación en su propio eje alrededor de una vez cada 4 semanas.
La temperatura en el centro de la región interior varía entre 8x106 a 40x106 K y la densidad es 100 veces mayor que la del agua. El sol es en efecto, un reactor continuo de fusión con sus gases constituyentes retenidos por las fuerzas gravitacionales. Una de las que se había considerado como las más importante es un proceso en el que el hidrogeno (es decir 4 protones) en el cual el hidrógeno se combina para formar helio (es decir un núcleo de helio), la masa del nucleó del helio es menor que el de los 4 protones y la masa que se había perdido en la reacción es menor convirtiéndose esta en energía.
Se estima que 90% de la energía se genera en la región de 0 a 0.23R (Donde R es el radio del sol), donde contiene el 40% de la masa del sol. En una distancia de 0.7 R desde del el centro del sol la temperatura desciende alrededor de 130000K y la densidad disminuye a 70 kg/m3 el proceso de convección aquí llega hacer importante y la zona desde 0.7 a 1.0 R es conocida como la zona convectiva. Dentro de esta zona la temperatura disminuye alrededor de 5000 K y su densidad alrededor de 10-5 kg/m3. La superficie del sol tiene una apariencia de tener gránulos (irregulares puntos de convección) con dimensiones desde 1000 a 3000 km. La capa exterior de la zona convectiva es llamada fotosfera. El borde de la fotosfera es claramente definida a pesar de tener una baja densidad (alrededor de 10-4 que del aire al nivel del mar). Es esencialmente raro, que los gases que lo componen son altamente ionizados y capaces de absorber y emitir un espectro continuo de radicación. La fotosfera es la fuente de la mayoría de la radiación solar. Fuera de la fotosfera la atmosfera solar en más o menos transparente y se puede observar el eclipse solar en esta región hay una zona de gases fríos y constituyen la capa inversora o de inversión. Fuera de esta hay una capa conocida como la cromosfera, con una profundidad
9 de 10000 km. Este es una capa gaseosa con temperaturas más altas que el de la fotosfera pero con una densidad menor. Mas fuera aun esta la corona, una región de muy baja densidad y de muy alta temperatura 106K. (Duffie & Beckman, 2005)
Figura 1. Estructura del sol. Fuente: (Duffie & Beckman, 2006, pág. 4)
Si consideramos 1 la masa de la tierra, el sol tiene una masa de 332 830 veces la de la tierra. En cuanto a volumen es 1 300 000 veces más voluminoso que la tierra. Esa masa incandescente de plasma tiene una temperatura superficial de unos 6000°C. La tierra tiene una temperatura superficial media de 10-20°C. La temperatura en el centro del sol es unos 15 millones de grados centígrados, mientras que en la tierra, la temperatura en su centro
es de 5 000℃. (Esteire, Madrid, & Madrid, 2010, pág. 173) Se estima que la temperatura en el interior del sol debe ser del orden de 107K, pero en la
fotósfera es decir, en la superficie externa del sol, la temperatura efectiva del sol (efectiva del cuerpo negro) es de 5 762K. Existen, sin embargo, otras formas de calcular la temperatura de la fotosfera, que dan como resultado alrededor de 63000K. Su temperatura se mide por métodos indirectos, basados en diversos modelos. De allí que no coincidan todas las estimaciones de su temperatura. (Fernandez, 2010, pág. 18)
El sol contiene el 98-99% de la materia del sistema solar, y es la fuente de calor y luz de todos los planetas de dicho sistema. El sol ejerce una fuerza de atracción sobre los objetos
10 del sistema solar, que giran a su alrededor (como la tierra, que tarda 365 días en dar una vuelta completa).
Si la gravedad a la que están sujetos los objetos sobre la superficie de la tierra es de 9.78 m/s2, en la superficie solar la fuerza de la gravedad es de 274 m/s2. Es decir que la fuerza de la gravedad en la superficie solar es 28 veces mayor que la que existe en la tierra.
Se producen reacciones nucleares. Los protones del núcleo de hidrogeno se liberan fusionándose más tarde en grupos de 4 neutrones citados, por lo que la masa restante se transforma en una gran cantidad de energía. Esa energía, por convección, va desplazándose hacia la periferia del sol, donde se libera en forma de calor y luz, que llegan hasta nuestro planeta y hacen posible la vida.
Al final de la vida del sol (dentro de unos 5 000 millones de años), todo el hidrógeno ya se habrá convertido en helio y, estos átomos de helio se fundirán dando lugar a elementos más pesados, por lo que el sol aumentara de volumen, hasta tal punto que alcanzara a la tierra y se la tragará.
Las energías solares podrían suministrar toda la energía que necesitan las naciones del mundo. Es posible aprovechar tanto la radiación solar directa (la que incide sobre una superficie sin reflexiones) como la difusa (energía solar procedente de reflexiones).
(Esteire, Madrid, & Madrid, 2010)
11 Tabla 1.1
Composición del sol
Elemento Porcentaje presente
(%) Hidrógeno( el elemento más abundante en el sol)
Helio Oxigeno Carbono Nitrógeno Neón Hierro Silicio Magnesio Azufre
Otros elementos
92.1 7.8 0.061 0.030 0.0084 0.0076 0.0037 0.0031 0.0024 0.0015 0.0015 Fuentes: (Esteire, Madrid, & Madrid, 2010, pág. 176)
1.2.6. Características.
La energía solar presenta dos características especiales muy importantes que la diferencian de las fuentes energéticas convencionales: dispersión e intermitencia.
Dispersión: En condiciones favorables, la densidad de la energía del Sol es alrededor de 1000 W/m2, un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo.
Esto significa que, para obtener densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de concentración de los rayos solares.
Intermitencia: La energía solar no es continua, lo cual hace necesario sistemas de almacenamiento. (Guzmán, 2009, pág. 18)
1.2.7. Propiedades de la radiación.
Considere que la energía radiante G, impacta sobre una superficie de un cuerpo como se Ilustra.
12
Figura 1.2 Energía radiante que impacta un cuerpo. Fuente: (Jaramillo, 1998, pág. 20) Se define la absortancia 𝜶, como la fracción de la radiación incidente absorbida por el material; la reflectancia 𝝆, como la fracción de la energía incidente reflejada por el material y la transmitancia 𝝉, como la fracción de la radiación incidente transmitida a través del material. (Jaramillo, 1998, pág. 20)
1.2.8. Tipos de la radiación solar.
Hay diferentes tipos y terminologías de la radiación solar, en función de las transformaciones que sufre al incidir en la atmósfera terrestre, y son los siguientes:
Radiación directa: Se recibe directamente del Sol. Para medir la radiación directa se utilizan los términos de irradiancia, rapidez de incidencia de energía radiante sobre una superficie (W/m2), e irradiación, cantidad de energía radiante por unidad de área (J/m2). Estos valores dependen del clima y de las condiciones meteorológicas, de la altura sobre el nivel del mar y de la horizontalidad de la superficie colectora, entre otras cosas. (Loayza, 2012) “Es la radiación que llega a la superficie de la tierra en forma de rayos provenientes del sol sin cambios de dirección” (Senahami, 2003, pág.
11).
Radiación difusa: Se recibe del Sol después de ser desviada por dispersión atmosférica.
Radiación reflejada o terrestre: Proviene del reflejo de objetos terrestres.
Radiación total: Es la suma de las radiaciones directa, difusa y reflejada.
Radiación global: Es la suma de las radiaciones directa y difusa. Esta radiación se utiliza para el cálculo de colectores solares. (Loayza, 2012)
13 1.2.9. Usos de la energía solar
El presente escenario de la energía en el mundo exhibe que la mayoría de requerimientos de energía son los combustibles fósiles, los cuales ahora no pueden formarse a una velocidad significativa. También estos combustibles fósiles no son ambientalmente amigables y emiten una cantidad significativa de contaminantes causando serios asuntos medioambientales como el calentamiento global, reducción drástica de la capa de ozono y cambio climático. Las fuentes renovables de energía, con ventajas de ser ambientalmente amigables y abundantes en su disponibilidad, es la opción prometedora para responsabilizarse de la demanda creciente de energía en todo el mundo. Sin embargo, los sistemas de energías renovables presentan baja eficiencia de conversión, por consiguiente usar los sistemas de energías renovables para aplicaciones de la vida real en forma regular requiere consideraciones especiales. (Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, pág. 106)
Actualmente, la energía renovable es considerada como la clave para un futuro energético sostenible. Puede tener un impacto beneficioso en los temas ambientales, económicos y políticos del mundo. El aumento del precio del combustible fósil, el cambio climático, los impactos ambientales adversos hace la exploración de una manera sostenible para utilizar la energía más importante que nunca. (Dagdougui, Ouammi, Robba, & Sacile, 2011, pág. 631)
“El uso de sistemas de energías renovables para aplicaciones reales ha incrementado en las últimas décadas (…). Las fuentes de energías renovables son limpias y libremente disponibles en la naturaleza, sin embargo, la utilización eficiente es todavía una causa de preocupación” (Park, Pandey, Tyagi, & Tyagi, 2014, pág. 105).
La situación enérgica cada año es más aguda con el incremento de la producción, incrementa la necesidad de calor, así como la energía eléctrica. (...). La solución de este problema se enfoca en la utilización de fuentes de energía alternativas como: biomasa, biogás, energía hidráulica, energía eólica, geotérmica y energía solar. (…). Una gran cantidad de construcciones de dispositivos solares en todo el mundo son conocidas y cada uno de ellos es eficiente en algunos lugares específicos a las condiciones meteorológicas.
(Jesko, Classification of solar collectors, 2008, pág. 21)
“Entre estas fuentes renovables, la energía solar ha recibido una atención considerable debido a su facilidad de acceso y alta potencialidad para generar electricidad y calor”.
(Jafarkazemi & Ahmadifard, 2013, pág. 55)
14 En el siglo XIX la conversión de la energía solar en otras formas de energía, fue enfocada para alimentar las máquinas de vapor, como también en la destilación de agua para su potabilización. Años más tarde el Francés Pifre, creó la primera máquina basada en la conversión de ésta energía, máquina destinada a la industria de la Imprenta. Así fue, con el transcurso de los años, que la energía solar fue cobrando más campo en el ámbito energético, ya que con el desgaste de las energías fósiles (no renovables), el hombre ha ido en busca de nuevas opciones, ya que, el Sol no ha vivido la mitad de lo esperado, y en un año genera cinco mil veces más energía de la que necesitamos. (Ochoa, 2012, pág.
12)
1.2.9.1. Producción de agua caliente sanitaria (ACS)
La principal aplicación de la energía solar térmica es la producción de agua caliente sanitaria (ACS) para el sector doméstico y de servicios. El agua caliente sanitaria se usa a una temperatura de 45ºC, temperatura a la que se puede de llegar fácilmente con captadores solares planos que pueden alcanzar como temperatura media 80ºC. Se considera que el porcentaje de cubrimiento del ACS anual es aproximadamente del 60%.
Figura 1.3. Utilización de Energía Solar Térmica. Fuente: (San, 2006) 1.2.9.2. Calentamiento de aguas de piscinas.
Otras de las aplicaciones extendidas es la del calentamiento del agua de piscinas. El uso de colectores puede permitir el apoyo energético en piscinas al exterior alargando el periodo de baño, mientras que en instalaciones para uso de invierno, en las épocas de poca radiación solar podrán suministrar una parte pequeña de apoyo a la instalación convencional. Además hay que considerar que el reglamento de instalaciones Térmicas en los edificios (RITE) prohíbe el calentamiento de piscinas descubiertas con fuentes de energía convencionales.
15 1.2.9.3. Aire acondicionado mediante máquinas de absorción.
Uno de los campos de máximo desarrollo de las instalaciones solares térmicas que se verá en un plazo breve de años será la de colectores de vacío o planos de alto rendimiento que produzcan ACS, calefacción en invierno y mediante máquinas de absorción, produzcan frio en el verano. (San, 2006)
1.2.9.4. Aplicación de la energía solar al tratamiento térmico de suelos de invernadero.
El cultivo bajo invernadero ofrece problemas de aparición repetitiva de patógenos en el suelo que pueden hacer peligrar la viabilidad de la producción. Los métodos de control físico de patógenos, como la solarización y los tratamientos con vapor de agua, se han manifestado en ensayos realizados por diversos patólogos como una eficaz solución a los problemas agronómicos y medioambientales producidos por el uso de tratamientos químicos. La solarización consiste en mantener durante 6 a 8 semanas el suelo a temperaturas próximas a los 45 ℃ en la época estival de máxima insolación, usando para ello láminas de plástico transparente. De esta forma se eliminan la mayor parte de los patógenos del suelo sin afectar a la microflora y microfauna auxiliares del mismo.
Este método físico permite disminuir el tiempo invertido en procesos de solarización, se puede aplicar en meses no hábiles para la solarización como Septiembre, se minimiza el impacto ambiental de los tratamientos con vapor al eliminar el uso de combustibles fósiles. Además, la energía solar fotovoltaica también puede ser usada para alimentar los sistemas de automatización y control que permitan el correcto funcionamiento de los tratamientos del suelo, sin utilizar combustibles convencionales y, por tanto, contribuyendo a la disminución de la contaminación atmosférica. (Perez, 2007)
1.2.9.5. Generación fotovoltaica
Los módulos o colectores fotovoltaicos están conformados por dispositivos semiconductores tipo “diodo”, los cuales al recibir radiación solar mediante un proceso químico se excitan y provocan saltos electrónicos; esto se conoce como efecto fotoeléctrico. En resumen estos electrones son capturados, el resultado obtenido es una corriente eléctrica continua que puede ser aprovechada y transformada en corriente alterna, y así ser inyectada a la red eléctrica o sistema interconectado.
Además, tienen muy bajos costos operacionales y de mantenimiento, pues no poseen partes móviles ni requieren de ningún insumo (salvo la luz del sol).
16 Figura 1.4. Huertas solares. Fuente: (Arenas & Zapata, 2011)
1.2.9.6. Generación con energía solar térmica
Una central térmica solar o central termosolar es una instalación industrial en la que, a partir del calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo termodinámico convencional, se produce la presión necesaria para impulsar un alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica convencional. Es de suma importancia concentrar la radiación solar para poder alcanzar temperaturas elevadas, de 300°C hasta 1000°C, y así obtener un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con temperaturas más bajas. La concentración y captación de rayos solares se hace por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría parabólica.
Figura 1.5. Esquema de una Central de Generación Termo solar. Fuente: (Arenas &
Zapata, 2011).
17 1.2.9.7. Hornos solares
Otra de las aplicaciones de la energía solar térmica es la cocción de alimentos, se puede decir que este es un uso más directo de dicha energía debido a que se usa una cantidad menor de dispositivos para su aprovechamiento. Desde la época moderna en muchos países los combustibles fósiles han venido a tomar el relevo de la leña de antaño, pero aun en muchas zonas esta es la única fuente de energía térmica. Debido a ello, la provisión de leña condiciona la localización e incluso, el tamaño de las ciudades en función del entorno proveedor de la madera de los bosques cercanos o de otras fuentes de biomasa.
El reflector parabólico tiene la propiedad de concentrar en un punto focal los rayos que entran en el reflector paralelamente al eje.
Figura 1.6. Horno solar. Fuente: (Arenas & Zapata, 2011) 1.2.9.8. Iluminación solar vial
La tecnología fotovoltaica tiene la ventaja de hacer posible la generación de electricidad donde lleguen los rayos del sol. Es por ello que esta tecnología se emplea también para alimentar pequeños dispositivos luminosos que facilitan las más diversas actividades y que hubieran sido difíciles o costosos de instalar en caso de haberse empleado sistemas de alimentación convencionales. Estos elementos mejoran la visibilidad en las vías, potencian la atención en puntos peligrosos o también pueden resultar decorativos. Son varias las razones que pueden ilustrar el importante crecimiento que está experimentando este tipo de iluminación. La opción de las farolas solares se ve como una manera de combinar y armonizar ambas tendencias. La alta confiabilidad de estos componentes y su reducido riesgo de daños. Estos dispositivos de iluminación solar funcionan como pequeñas centrales fotovoltaicas: durante el día capta la energía del sol y esta es almacenada en una batería para que, por la noche, sea empleada al encender las lámparas o farolas. (Arenas & Zapata, 2011)
18 Figura 1.7. Luminaria solar. Fuente: (Arenas & Zapata, 2011)
1.2.10. Radiación solar en el Perú
El Perú está considerado entre los 6 países con mayor incidencia de energía solar en el planeta. Al encontrarse entre el paralelo 0º 08´ Latitud Norte y 18º 13´ Latitud Sur, dentro de los trópicos, dispone de energía solar con poca variación anual, en comparación con latitudes medias y altas.
Los valores extremos de radiación solar, son en promedio de 340 y 150 W/m2 durante los meses de verano e invierno, respectivamente; esto es ignorando la presencia de la capa atmosférica. Esta poca variación se atribuye al hecho que en estas latitudes los rayos solares son casi perpendiculares a la superficie terrestre durante todo el año, dando lugar a una máxima incidencia de la radiación solar por unidad de área y tiempo. La presencia de la atmósfera reduce considerablemente la radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra, puesto que la atmósfera, en función a sus constituyentes gaseosos y aerosoles presentes en ella, tiene la capacidad de absorber, dispersar y reflejar la radiación solar.
Así por ejemplo, las cifras antes citadas, se reduce aproximadamente a 240 y 100 W/m2, si se considera que la atmósfera transmite solo un 70% de la radiación solar. La cantidad de radiación transmitida por la atmósfera es menor si mayor es la concentración de Ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y aerosoles en la atmósfera. La concentración y cantidad de los 3 últimos disminuye con la altitud; por esta razón en el Perú, debido a su orografía la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la Sierra peruana.
Esta región se encuentra principalmente entre los 2000 y 3000 metros de altitud y ocupan
19 un 30 % del territorio nacional. En las zonas de mayor altitud; como la Meseta Titicaca y
las Pampas de Junín, la radiación incidente es mucho mayor.
La intensidad y cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie es también controlada por la clase y cantidad de nubes presentes durante el día, y aquellas predominantes durante el año. En la costa peruana, específicamente en Pisco - Ica y Costa Norte, el cielo está despejado casi todo el año permitiendo una mayor incidencia de radiación solar. En el resto de la costa baja, la radiación solar incidente aumenta marcadamente de invierno a verano por efectos estacionales y la disminución de la nubosidad. En la sierra ceja de selva, la nubosidad es mínima o nula en el invierno y la cantidad de vapor de agua es muy pequeña. Las nubes predominantes en la Sierra y Selva son de corta vida durante el verano, lo cual no disminuye mucho la radiación incidente sobre la superficie. (Ochoa, 2012, págs. 14,15).
En el Perú, las condiciones orográficas, climáticas y oceanográficas, entre otras, determinan la existencia de tres grandes regiones naturales: Costa, Sierra y Selva. La Costa es la región limitada por el Océano Pacífico y las laderas andinas por debajo de los 2 000 msnm. La Sierra es la región de la Cordillera de los Andes, caracterizada por la presencia de cumbres y montañas con alturas de 6 768 msnm. La Selva es la región formada por dos zonas, el bosque tropical amazónico o selva baja y las pendientes y valles al este de los Andes bajo los 2 000 msnm conocido como selva alta.
1.2.10.1. Distribución anual.
A nivel anual, la zona de mayor potencial de energía solar del territorio peruano se encuentra principalmente en la costa sur 16°a 18°S, donde se dispone de 6 a 6.5 kWh/m2 Otras zonas en las que se registra alta disponibilidad de energía solar diaria, entre 5.5 a 6 kWh/m2 son la costa norte (3 a 8°S) y gran parte de la sierra sobre los 2 500 msnm, siendo en orden de importancia en cuanto a su extensión superficial: la sierra sur, la sierra central y la sierra norte.
La zona de bajos valores de energía solar en el territorio es la selva, donde se registran valores de 4.5 a 5 kWh/m2 con una zona de mínimos valores en el extremo norte cerca del ecuador (0°a 2°S). Asimismo, es importante acotar que la mayor variación anual (desviación estándar) de los valores de energía solar recibida en la superficie está en la costa sur, seguido en orden de magnitud por la costa central, selva norte, costa norte y sierra sur. Las zonas de menor variación anual son la selva central y sur, la sierra central y parte de la sierra norte.
20 1.2.10.2. Distribución estacional.
Al explicar la distribución de la energía solar en el territorio peruano debemos tener en cuenta diversos factores que controlan el clima, tales como: la cordillera de los Andes, que configura la orografía del territorio peruano; el Anticiclón del Pacífico Sur (APS), que produce gran estabilidad atmosférica por la presencia de movimientos verticales descendentes en la tropósfera media; el Anticiclón del Atlántico Sur (AAS), que provee de humedad , y alimenta a los vientos Alisios del sureste; la Corriente Fría Peruana en el Océano Pacífico, que refuerza la estabilidad en la atmósfera; la Corriente Cálida Ecuatorial (“Corriente El Niño”), que inestabiliza la atmósfera en la costa norte en los meses de verano; la Zona de Convergencia Intertropical (ZCIT), que genera muy activos sistemas nubosos; la Alta de Bolivia que se asocia a sistemas convectivos que suelen afectar mayormente la sierra y selva norte y central del Perú.
Durante el verano austral (diciembre a marzo) el sol se encuentra irradiando el hemisferio sur con mayor intensidad, sin embargo, este hecho no se traduce en los mapas, especialmente en la parte norte y central de la sierra y selva (0 a 10° S y 70 a 79° W), las mismas que presentan valores relativamente bajos de energía solar, no obstante la considerable altitud de las zonas montañosas que determinan una menor absorción de la irradiación al atravesar un menor espesor atmosférico. Esto se debe a la interacción de los principales controladores climáticos tales como el Sistema de Alta presión del Océano Pacífico Sur (APS), el Sistema de Alta presión del Atlántico Sur (AAS); la ZCIT muy activa en este hemisferio en estos meses, la Alta de Bolivia y la Cordillera de los Andes, determinan la llegada y/o formación en el territorio peruano de sistemas nubosos que originan las lluvias en esta época («época lluviosa»), lo que genera una sustancial disminución de la transmisividad atmosférica sobre toda esta región.
Durante el invierno la energía solar recibida disminuye en general en todo el territorio debido a que el sol se encuentra irradiando más intensamente el hemisferio norte (solsticio de invierno
21 Figura 1.8. Comportamiento de la irradiación solar extraterrestre estacional
Fuente: (Senahami, 2003)
En primavera, el sol inicia su retorno en su marcha aparente hacia el hemisferio sur, determinando disminución de la humedad atmosférica norte. Esto provoca la ausencia de nubosidad y de lluvias (condiciones de estiaje o estación seca) en la sierra norte y central por lo que la transmisividad de la atmósfera alcanza sus máximos valores, registrándose consecuentemente los valores más altos de energía solar diaria recibida en esta región (noviembre). Asimismo, la región de selva alcanza también sus mayores valores en este mes, especialmente la selva norte.
La sierra sur y parte de la sierra central muestran altos valores de energía solar, presentándose los máximos a fines de primavera y durante el verano, lo cual se debe a que se encuentra menos influenciada por los controladores climáticos que generan los sistemas nubosos como son la ZCIT y la Alta de Bolivia. La ZCIT tiene mayor dominio e influencia sobre la sierra norte y central del territorio peruano, mientras que la Alta de Bolivia, ejerce mayor influencia sobre la sierra central y sierra sur, originando y manteniendo la convección diurna y la humedad atmosférica en niveles medios en los flancos occidentales de los Andes, pudiendo incluso ser realimentada la convección entre los 5 y 8° S a lo largo de los Andes (sobre los 2 400 msnm) por las brisas de montaña o brisas marinas. (Senahami, 2003, pág. 20)
