CAPITULO I
I.1 INTRODUCCION.
El hombre siempre ha tenido necesidad de proveerse de fuentes de energía, y ésta, en la mayoría de los casos ha provenido del sol. El carbón, petróleo y gas natural que el hombre utiliza como fuentes de energía, provienen de plantas que necesitaron del sol para realizar sus funciones vitales.
Uno de los principales problemas que debe enfrentar el mundo actual es el inminente agotamiento de las fuentes primordiales de energía no renovable, además del creciente aumento de contaminantes generados por el uso de dichas fuentes. El trabajo científico y tecnológico encaminado a sustituir el petróleo por fuentes renovables ha puesto sus esfuerzos en áreas alternas, como la energía atómica, fuerzas naturales (viento, mareas) y la energía solar.
Las ventajas que tiene la energía solar con respecto a otras fuentes de energía son numerosas. El sol es una fuente prácticamente inagotable de luz y calor, y la capacidad para aprovecharla depende en gran manera de salvar obstáculos económicos, políticos y sociales. El campo de acción de la tecnología solar es bastante amplio y su desarrollo aún
está en sus inicios, por lo que resta todavía un largo camino para alcanzar el máximo aprovechamiento. Es posible obtener electricidad a partir de la luz solar y las propiedades de algunos compuestos, para cubrir las necesidades en una amplia gama de aplicaciones, lo mismo para operar equipo portátil hasta lo suficiente para satisfacer los requerimientos de un hogar o de un pequeño asentamiento humano. Asimismo es posible desarrollar equipo para concentrar la energía solar y producir vapor, el cual hará funcionar generadores eléctricos.
Con la ayuda de concentradores es posible obtener grandes cantidades de calor útil para diferentes actividades, desde cocinar alimentos hasta la fundición de metales. La energía calorífica proveniente del sol es utilizada desde mucho tiempo atrás para acondicionar la temperatura de las viviendas y actualmente se utiliza para calentar agua para uso doméstico, fluidos térmicos en diferentes procesos y hasta para la operación de bombas térmicas y refrigeradores con ciclos de absorción. En la actualidad se han desarrollado una gran cantidad de equipos de la más variada tecnología, con el fin de aliviar la creciente necesidad de agua en algunas regiones. Los destiladores y los detoxificadores solares son algunos ejemplos de los esfuerzos que se hacen para cubrir dichos requerimientos.
La importancia de evaluar la cantidad y distribución de la radiación solar en el mundo y específicamente en nuestro país, reviste cada vez mayor importancia a medida que la ciencia y la tecnología de la conversión de esta energía logra avances significativos. En muchos países la medición de la radiación solar es otro parámetro climatológico más, el cual es registrado desde principios de este siglo.
La Tabla 1.1 nos muestra el tipo de información, en cuanto a radiación solar, que se necesita para desarrollar el diseño de algunos equipos solares. Debido a que no todos los equipos aprovechan toda la radiación solar que incide sobre sus colectores, se hace indispensable medir específicamente los componentes solares. Asimismo, los equipos que convierten la radiación solar a calor útil deben ser diseñados para alcanzar la temperatura requerida por el proceso al que serán destinados (ver Tabla 1.2.). Por ejemplo, si nuestro objetivo es producir agua destilada, entonces debemos conocer que tipo de colector será más apto para nuestra aplicación.
Tabla 1.1. Componentes de la radiación solar que requiere el diseño de algunos equipos.
Equipo Tipo de
información
Colectores térmicos para calentamiento de agua
Radiación global Horno solar Radiación directa Destilador solar Radiación directa Radiación difusa Celda fotovoltáica Radiación global Radiación directa Radiación difusa
Heliodiseño Radiación directa Radiación difusa
Refrigerador solar Radiación directa Radiación global
México, y en especial Sonora, se encuentra en una región privilegiada en cuanto a cantidad de radiación solar recibida, por lo que convierte a ésta en un recurso natural de gran potencial y de importancia energética para la región. Por otro lado cabe señalar que Sonora carece de combustibles fósiles y depende casi completamente de la importación de éstos para cubrir sus requerimientos energéticos. En este punto es importante conocer la magnitud del recurso solar y definir hasta que nivel es factible desarrollar tecnología de aprovechamiento para esta fuente.
Desafortunadamente en México no existe una sistematización de la información en este sentido y en pocos lugares (en el D.F.) se cuenta con un registro constante del mismo, por lo que para cubrir esta deficiencia han sido reportados algunos estudios que calculan indirectamente la radiación solar utilizando parámetros medidos en las estaciones meteorológicas nacionales, como humedad, días nublados y horas de insolación. Sin embargo, ante el aumento de dispositivos de aprovechamiento de radiación solar mas avanzados (como las fotoceldas y los concentradores ópticos), se requieren datos mas precisos y confiables, con mayor resolución y calidad en la información.
Tabla 1.2. Temperaturas típicas de trabajo para algunos Sistemas Térmicos Solares.
Temperatura.
°C 38 94 150 205 260 °F (100) (200) (300) (400) (500)
Aplicación.
- Cultivo piscícola - Alúmina por el proceso Bayer - Baños calientes - Secado de tierras diatomáceas - Cultivo de hongos - Digestión de pulpa de papel - Secado de alimentos (límite inferior) - Vapor de proceso - Secado de alimentos (general) - Producción de - Agua destilada electricidad - Evaporación en la refinación de azúcar
Sensores. <-- Piranómetro inclinado, pirheliómetro ---> <-- Pirheliómetro de abertura variable --> <--- Pirheliómetro --->
<-- Sensor especial de abertura pequeña --->
Colectores.
<--- Colector plano --->
<--- Refractores Fresnel medianos o CPC’s --->
<- Reflectores Fresnel, Canales Parabólicos --> <-- Sistema de platos --->
El diseño bioclimático de viviendas es una rama de la arquitectura que requiere de conocer datos precisos sobre radiación solar y otras condiciones meteorológicas, con el fin de desarrollar construcciones eficientes desde el punto de vista de aprovechamiento de energía. Ya es conocido que en regiones desérticas el consumo de electricidad es por mucho superior a otras regiones con diferentes climas y que este consumo se incrementa notablemente durante el verano, como consecuencia del uso de refrigeraciones y otros acondicionadores de clima. Por esto es importante proporcionar a los investigadores en este campo datos climatológicos como herramientas que se ajusten a sus necesidades. [5,12]
Las medición de las condiciones climatológicas se realizan como una respuesta a una necesidad, y la información obtenida puede no cubrir a la totalidad de las necesidades. Para este fin se ha buscado regular y estandarizar la forma en que se miden los fenómenos atmosféricos, los tipos de sensores y la forma en que se les dará tratamiento. La exactitud de las mediciones también se ve regulada por instituciones especializadas, las cuales tienen
la forma de calibrar los instrumentos de medición para asegurar que los datos que generen sean válidos.
I.2 Antecedentes.
La estación solarimétrica y meteorológica de la Universidad de Sonora surgió como un proyecto del Grupo de Energía, llamado ESTACION SOLARIMETRICA DE LA UNIVERSIDAD DE SONORA, cuyo propósito sería cubrir de manera eficiente las necesidades de datos solarimétricos, los cuales no existían de manera consistente y constante para esta región en particular. El proyecto fue financiado con el apoyo de FOMES 1992. El equipo que se adquirió se conoce como “Rotating Shadowband Radiometer”, y fue desarrollado por Michalsky y Harrison, de la Universidad de Albany, en Nueva York [11]. Este sistema posee un sensor fotovoltaico de radiación solar (marca LiCOR) y un sistema automático de sombreado del sensor por medio de una banda metálica accionada por un motor de pulsos; además fueron incorporados los sensores para la medición de temperatura, humedad relativa y velocidad y dirección de viento, todo esto controlado y manejado por un equipo adquisidor automático de datos y su correspondiente soporte de energía eléctrica. [17,18,19].
El concepto de un sistema integrado como éste es relativamente nuevo, ya que anteriormente se requerían varios sensores de radiación: un piranómetro, un pirheliómetro y otro piranómetro acoplado a una banda sombreadora fija, además de los sensores meteorológicos y el adquisidor automático de datos [19]. En el capítulo V, sección 4 se describe con mas amplitud esta característica del radiómetro de banda rotatoria.
La estación solarimétrica se recibió a principios de 1993 y se empezaron a registrar datos continuos desde septiembre de 1993. Los parámetros que registrará la estación solarimétrica de la Unison serán: radiación solar directa normal, radiación solar difusa horizontal, radiación solar global horizontal, temperatura ambiente, humedad relativa ambiente, velocidad de viento y dirección de viento.
Los sensores que están instalados en el paquete son: un piranómetro LiCOR200S, una banda sombreadora rotatoria, un sensor de temperatura y humedad relativa marca Campbell (HMP35C), un anemómetro y una veleta marca Campbell (03101-5, 03301-5
respecti-vamente). El sistema adquisidor de datos que se utiliza fue desarrollado por los fabricantes del sistema e incorpora el control automático de la banda de sombra y la promediación, almacenamiento de datos y la operación del sistema de soporte energético.
I.3 Objetivos.
Los objetivos del presente trabajo son:
- Describir técnicamente la operación del sistema automatizado de adquisición de datos para la evaluación del recurso solar y otras variables climatológicas en Hermosillo, Sonora. - Cubrir de una manera práctica las necesidades de información que requiere la investigación solarimétrica, bajo los siguientes puntos:
• Diseñar, implementar y evaluar un sistema de manejo de la información generada por la estación solar.
• Implementar una metodología de adquisición y manejo de datos solarimétricos y climatológicos provenientes de la estación solarimétrica.
• Crear un banco de datos accesible para todas las áreas de investigación que lo requieran.
- Establecer un procedimiento para la operación y mantenimiento de la estación solarimétrica de la Universidad de Sonora.
I.4 Metodología.
Para establecer un sistema confiable de información climatológica, fue necesario investigar acerca de las normas internacionales y los métodos de reporte nacionales vigentes, con el fin de mantener una congruencia con la información histórica existente y realizar un reporte entendible por los usuarios potenciales.
Se procuró conocer la exactitud y la resolución recomendable para los datos que se están adquiriendo y si el equipo que se tiene cumple con estos requisitos.
Se desarrolló una investigación bibliográfica con el fin de entender el comportamiento de las variables climatológicas a medir y los principios físicos utilizados
para medir dichas variables. En este trabajo se describen brevemente algunos puntos que explican de manera general las variables medidas por la estación solarimétrica, así como algunos de los instrumentos de medición que han sido utilizados más comúnmente en el estudio de cada una de las variables a través del tiempo.
El siguiente paso en el desarrollo de este trabajo fue de comprender la forma en que opera el sistema de adquisición de datos meteorológicos y solarimétricos. Para esto se hace un estudio de los sensores y equipos que conforman la estación, dando mayor atención al radiómetro de banda rotatoria, ya que este es el sensor más importante en cuanto a la información que proporciona y al concepto nuevo que representa. En base al manual provisto por los fabricantes [11], se hace un análisis físico del equipo, su configuración y sus características. Se describe el software utilizado para la comunicación del equipo con una PC y los protocolos y comandos que controlan la operación de la estación.
Una vez que se han comprendido las bases del funcionamiento y es posible operar la estación, es necesario desarrollar un sistema para manejar la información proveniente de la estación solarimétrica. Este procedimiento permite trabajar con los datos de la estación, haciéndolos comprensibles a los requerimientos y ofrece una forma segura de organizarlos y almacenarlos para constituir una base de datos consistente. Este proceso requirió de desarrollar una serie de programas informáticos que agilicen estas operaciones y provean de exactitud y confiabilidad. Se diseñó un formato de reporte para mostrar la información de la estación solarimétrica de una manera sencilla y práctica.
El capítulo II de este trabajo tratará de describir las normas internacionales que rigen el manejo de información climatológica y explicará las bases de los adquisidores automáticos de datos. En el capítulo III se define qué es la radiación solar y sus componentes (directa y difusa); se darán algunas definiciones para la medición de radiación solar y se describirán los instrumentos mas importantes para la medición de dichas componentes. En el capítulo IV se describirán las otras variables (temperatura, humedad, velocidad y dirección de viento), los procesos naturales involucrados y los instrumentos comúnmente utilizados en su medición.
El capítulo V hará una descripción mas completa del equipo que constituye la estación solarimétrica, los sensores y su constitución, los procedimientos de operación y las instrucciones específicas para operar la estación. El capítulo VI detallará el procedimiento de manejo de los datos generados por la estación solarimétrica y la elaboración de un reporte para mostrar la información ya disponible.
