112
113 autores, los valores de radiación solar más altos en la Tierra están en regiones del planeta ubicadas en las proximidades de la zona ecuatorial, además la altitud en msnm juega también un papel importante debido a la disminución de la masa de aire con el incremento de altitud.
A continuación veremos unos datos de radiación solar obtenidos por la Estación Meteorológica de la Universidad Continental correspondientes al año 2015, los cuales se expresan en términos de Irradiancia promedio diaria para cada mes.
Tabla 7: Irradiancia según (Estación UC) durante el año 2015 MES Irradiancia
kWh/m2/día
Enero 5,73
Febrero 4,64
Marzo 4,73
Abril 5,11
Mayo 5,15
Junio 5,18
Julio 5,44
Agosto 5,62
Septiembre 5,66
Octubre 5,94
Noviembre 5,72 Diciembre 5,25 PROMEDIO 5,35
Valores de irradiancia promedio diaria por mes para Huancayo (Estación UC) durante el año 2015 Fuente: Elaboración propia con data de Estación Meteorológica de la Universidad Continental
De la tabla anterior se puede apreciar que existe un irradiancia promedio diaria anual de 5.35 kWh/m2 al día, y que durante los meses de verano los valores disminuyen probablemente por la presencia de alta nubosidad y lluvias.
En el siguiente cuadro se muestran los valores promedio diarios mensuales de la irradiación calculados por el Photovoltaic Geographical System de la European Comission el cual mediante el uso de satélites, modelos de cálculo y un sistema de georreferenciación calcula la irradiancia para las coordenadas dadas; en este caso se tomó como referencia la ubicación de la Estación Meteorológica de la Universidad continental. Sin embargo los valores promedio anuales (6.17 kWh/m2 dia) difieren en un 15.3% con respecto a los valores de la Estación Meteorológica en tierra (5.35 kWh/m2 dia)
114 Tabla 8: Irradiancia según (PVGIS) durante el año 2015
MES Irradiancia kWh/m2/día
Enero 6,47
Febrero 6,22
Marzo 5,73
Abril 5,39
Mayo 5,54
Junio 5,71
Julio 6,06
Agosto 6,44
Septiembre 6,24
Octubre 6,64
Noviembre 6,89 Diciembre 6,66 PROMEDIO 6,17
Valores de irradiancia promedio diaria por mes para Huancayo (PVGIS) durante el año 2015 Fuente: Elaboración propia con data de PVGIS European Comission
Por último, existe una tercera fuente que es el Atlas de Energía Solar del SENAMHI, cuyos valores de Irradiancia para Huancayo son los que se muestran en la siguiente tabla. La Irradiancia promedio diaria anual es de 5.61 kWh/m2 al día.
Tabla 9: Irradiancia según (SENAMHI) durante el año 2015 MES Irradiancia
kWh/m2/día
Enero 5,25
Febrero 5,75
Marzo 5,75
Abril 5,75
Mayo 5,90
Junio 5,25
Julio 5,25
Agosto 5,25
Septiembre 5,75
Octubre 6,25
Noviembre 6,10 Diciembre 5,10 PROMEDIO 5,61
Valores de irradiancia promedio diaria por mes para Huancayo (SENAMHI) durante el año 2015
Fuente: Elaboración propia con data de Atlas de Energía Solar del SENAMHI
Calculando la media para los datos de las 3 fuentes, se ha obtenido valores muy cercanos a los proporcionados por el SENAMHI. Para la elaboración de cálculos de
115 diseño de nuestra planta fotovoltaica de 40 MW se ha decidido trabajar con los valores promedio, los que se muestran en la siguiente tabla:
Tabla 10: Irradiancia en kWh/m2 por día mensuales de diferentes fuentes MES SENAMHI PVGIS
EUROPEAN COMISSION
ESTACION
LOCAL PROMEDIO
Enero 5,25 6,47 5,73 5,82
Febrero 5,75 6,22 4,64 5,54
Marzo 5,75 5,73 4,73 5,40
Abril 5,75 5,39 5,11 5,42
Mayo 5,90 5,54 5,15 5,53
Junio 5,25 5,71 5,18 5,38
Julio 5,25 6,06 5,44 5,58
Agosto 5,25 6,44 5,62 5,77
Septiembre 5,75 6,24 5,66 5,88
Octubre 6,25 6,64 5,94 6,28
Noviembre 6,10 6,89 5,72 6,24
Diciembre 5,10 6,66 5,25 5,67
PROMEDIO 5,61 6,17 5,35 5,71
Valores de irradiancia en kWh/m2 por día mensuales diferentes fuentes para la ciudad de Huancayo para el año 2015
Fuente: Elaboración propia con data de Estación UC, PVGIS y SENAMHI
Del análisis de los datos se puede ver que la irradiancia promedio diaria anual para la ciudad de Huancayo que se ha tomado como referencia es de 5.71 kWh/m2 al día y que los valores máximos de irradiancia se dan durante el mes de Octubre y no durante el solsticio de verano como se supondría que debería de ser, esto debido a la latitud cercana a la línea ecuatorial la cual es de 12º sur.
Como ya se vio en la revisión bibliográfica, la altura solar es mayor en los meses de verano y es menor en los meses de invierno debido a la declinación solar la cual variará en un intervalo de [+ 23,45º , – 23.45º], lo que para una latitud de 12º representa un intervalo de [101.45º , 54.55º], sin embargo el valor de 101.45º obtenido para el día 21 de diciembre en el hemisferio sur, no representa la altura solar máxima ya que como era de esperar el valor máximo de la altura solar se da cuando el sol se encuentra en el cenit con un ángulo de 90º con respecto al observador y esto se da para nuestro caso en a finales del mes de octubre.
116 Tabla 11: Declinación solar calculada y altura solar para el día 16 de cada mes
Mes Nº días Día "n" Declinación
Latitud
(SUR) Altura solar
Enero 31 16 21,10 12,048093 99,05
Febrero 28 47 12,95 12,048093 90,91
Marzo 31 75 2,42 12,048093 80,37
Abril 30 106 -9,78 12,048093 68,17
Mayo 31 136 -19,03 12,048093 58,92
Junio 30 167 -23,35 12,048093 54,60
Julio 31 197 -21,35 12,048093 56,60
Agosto 31 228 -13,45 12,048093 64,50
Septiembre 30 259 -1,81 12,048093 76,14
Octubre 31 289 9,97 12,048093 87,92
Noviembre 30 320 19,38 12,048093 97,33 Diciembre 31 350 23,37 12,048093 101,32
Fuente: Elaboración propia B. Nubosidad
Se define por la fracción de cielo cubierto por las nubes. Según las normas meteorológicas actuales, la nubosidad se expresa en octavos de la bóveda celeste, la cual se divide en 8 partes por el operador, quien evalúa entonces el número de esas partes que están cubiertas por las nubes.
En general se establece que la mayor cantidad de nubosidad se da en los meses de invierno y la mínima en verano. Sin embargo debido a la climatología de Valle del Mantaro debido a la presencia de la Cordillera de los Andes hace que durante los meses de verano se registren los mayores valores de nubosidad.
Es ya muy sabido que los sistemas fotovoltaicos reducen su eficiencia frente a la nubosidad, ya que ésta bloquea el paso del espectro lumínico de la radiación solar.
Sin embargo ya que el indicador de nubosidad solo nos dice si el cielo está cubierto o no (pudiendo presentar estados de nublado, parcialmente nublado o soleado), no podemos determinar con exactitud y de manera directa su grado de influencia sobre la irradiación en un panel fotovoltaico. Sin embargo, la influencia de la nubosidad se verá reflejada en la producción de energía de un sistema fotovoltaico y se podrá cuantificar el grado de influencia que ésta tiene tanto en un sistema fotovoltaico aislado o uno conectado a red. Existe un parámetro que es la transmitividad atmosférica, el cual está directamente influenciado por elementos presentes en la atmósfera como humedad, aerosoles, partículas en suspensión, dióxido de carbono, metano, vapor de agua y otros.
117 La transmitividad atmosférica puede calcularse como el cociente de la radiación global sobre la superficie y la radiación solar extraterrestre. Es así que para días totalmente despejados se pueden obtener valores de 0.85 y para días totalmente nublados y con lluvia 0.12
Figura 65: Radiación sola extraterrestre y supergicial
Radiación solar extraterrestre vs radiación solar global sobre la superficie tomada por la Estación Meteorológica de la Universidad Continental para el 15 de Febrero de 2015 con un muestreo cada 5
minutos durante 151 intervalos de tiempo
Fuente: Elaboración Propia con data proporcionada por la UC
A estos valores de la transmitividad atmosférica algunos autores como Villicaña E. (2008) en un proyecto titulado Huerta fotovoltaica de 1,2 MW, con seguimiento solar y conexión a red en Sevilla, presentado en el CONAMA, ha denominado a esta parámetro de transmitividad atmosférica como “Índice de Nubosidad (KT)” el cual es inversamente proporcional a la irradiación incidente sobre la superficie terrestre. En tal sentido para probar la hipótesis de influencia de la nubosidad en la producción de la planta de 40 MW, se utilizará el “Índice de Nubosidad” calculado para cada valor radiación solar global sobre la superficie registrada por nuestra Estación Meteorológica de la UC.
A continuación tenemos una tabla que nos muestra los índices de nubosidad promedio mensuales obtenidos con los valores de la radiación solar global sobre la
-400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 91 96 101 106 111 116 121 126 131 136 141 146 151
Radiacion Solar 15 de Feb de 2015
Radiación solar sobre la Superficie (W m-2) Radiación solar Extraterrestre (W m-2)
118 superficie de la ciudad de Huancayo durante el año 2015, cabe mencionar que al evaluar el índice de nubosidad promedio mensual, por lo general hace que el índice sea más bajo que el que se pudiera obtener en un día totalmente despejado o en algunos casos más alto que el que se obtiene en un día nublado ya que trabajamos con valores promedio.
Tabla 12: Índices de nubosidad promedio (KT) mensuales en Huancayo Mes Irradiancia
kW/m2-dia KT TIPO
Enero 5,93 0,53 NUBOSIDAD MEDIA
Febrero 4,61 0,42 ALTA NUBOSIDAD
Marzo 4,73 0,46 ALTA NUBOSIDAD
Abril 5,11 0,55 NUBOSIDAD MEDIA
Mayo 5,15 0,62 BAJA NUBOSIDAD
Junio 5,18 0,67 BAJA NUBOSIDAD
Julio 5,44 0,68 BAJA NUBOSIDAD
Agosto 5,75 0,64 BAJA NUBOSIDAD
Septiembre 5,66 0,56 NUBOSIDAD MEDIA Octubre 5,74 0,53 NUBOSIDAD MEDIA Noviembre 5,66 0,51 NUBOSIDAD MEDIA Diciembre 5,15 0,46 ALTA NUBOSIDAD
Índices de nubosidad promedio mensuales para el año 2015 en la ciudad de Huancayo Fuente: Elaboración propia
Para lo cual en esta investigación se ha creado una clasificación de la nubosidad según su Transmitividad Atmosférica, la cual se muestra a continuación:
Tabla 13: Clasificación de la nubosidad Intervalo Clasificación [0,10 -0,50] Nubosidad alta [0,51 -0,60] Nubosidad media [0,61 -0,70] Nubosidad baja [0,71 -0,80] Nubosidad escasa
Clasificación de la nubosidad en función a su transmitividad atmosférica Fuente: Elaboración propia
C. Precipitación
Se define como cualquier hidrometeoro que cae de la atmósfera y llega a la superficie terrestre en forma de lluvia, llovizna, granizo, nieve pero no niebla ni rocío que son formas de condensación.
La presencia de precipitación siempre va acompañada de nubosidad y casi siempre es indicador de una densa nubosidad, la cual de forma directa tiene influencia negativa en el paso de la radiación solar hacia la superficie terrestre. Aparentemente, cuanto más cargada está una nube, menos deja pasar la radiación solar.
119 La acumulación de nieve o granizo sobre los paneles fotovoltaicos tiene un efecto totalmente negativo sobre la irradiación en los paneles fotovoltaicos porque bloquea en forma casi total el paso de la luz.
Figura 66: Paneles cubiertos por nieve en PV Perogordo- España Fuente: Incalexa Enginiering S.L.
En el Valle del Mantaro, no se ha visto nieve durante los últimos 50 años pero si presencia de granizo, que en algunas oportunidades ha cubierto las calles con copas de hasta 10 cm de espesor. Según los datos mostrados por la Estación Meteorológica de la UC, la precipitación acumulada para el año 2015 fue de 645.79 mm , valor que está dentro del rango de precipitaciones para la clasificación del clima Frio Lluvioso del SENAMHI.
Tabla 14: Precipitación acumulada para Huancayo 2015 Mes Precipitación
(mm)
Enero 86,50
Febrero 148,00
Marzo 58,42
Abril 58,42
Mayo 11,60
Junio 13,15
Julio 18,67
Agosto 7,07
Septiembre 8,80 Octubre 54,25 Noviembre 67,00 Diciembre 113,91 Acumulado 645,79
Precipitación acumulada anual para el año 2015 en Huancayo Fuente:Elaboración propia con datos de la Estación Meteorológica de la UC
Para analizar la influencia de la precipitación en nuestra planta fotovoltaica de 40 MW del Valle del Mantaro utilizaremos los datos de un día lluvioso en el mes de febrero del 2015 proporcionados por la Estación meteorológica de la UC, ya que como se pueden ver en la tabla de datos de precipitación, el mes con mayores
120 precipitaciones es Febrero, que a su vez tiene una menor irradiancia mensual en comparación a los otros meses del año.
D. Temperatura
Según los manuales de fabricante de paneles solares y lo consignado en el marco teórico, la temperatura es un condicionante en la pérdida de rendimiento de los paneles fotovoltaicos. Dependiendo de si el panel solar es monocristalino o policristalino se presentaran menores o mayores pérdidas respectivamente según cual sea el coeficiente de temperatura dado por el fabricante. Para probar la hipótesis que relaciona la influencia de la temperatura en nuestra planta fotovoltaica de 40 MW evaluaremos las pérdidas por temperatura de cada panel teniendo en cuenta tanto su coeficiente de pérdidas por temperatura según ficha técnica y la temperatura máxima de la zona para el mes de referencia.
Las temperaturas en la ciudad de Huancayo a lo largo del día pueden variar dependiendo de la estación del año y de la hora del día. Pudiendo presentarse temperaturas mínimas de 1.62 ºC en épocas de friaje y máximas de 26.84 ºC.
Tabla 15: Temperaturas mínimas, máximas y promedio en Huancayo
Mes Temperatura oC
Min Max Promedio Enero 5,15 26,84 16,00 Febrero 7,19 24,29 15,74 Marzo 6,18 25,84 16,01 Abril 6,00 22,75 14,38 Mayo 5,87 22,42 14,15 Junio 1,62 22,59 12,11 Julio 2,00 22,00 12,00 Agosto 2,10 23,62 12,86 Septiembre 4,97 24,85 14,91 Octubre 5,90 25,40 15,65 Noviembre 5,15 26,84 16,00 Diciembre 5,25 26,34 15,80
Promedio anual 14,63
Temperaturas mínimas y máximas por mes para la ciudad de Huancayo registradas por la Estación Meteorológica de la UC en el año 2015
Fuente: Elaboración propia con datos de la Estación Meteorológica de la UC.
Sin embargo en el Valle del Mantaro en general tendremos promedios de temperaturas más bajas aun, debido a que por el efecto isla estudiado en contaminación atmosférica la temperatura dentro de las ciudades siempre es mayor
121 que en el campo. Según PVGIS, las temperaturas promedio mensuales en el Valle del Mantaro son:
Tabla 16: Temperaturas promedio mensuales del Valle del Mantaro Mes Temperatura
Promedio
oC
Enero 11,86
Febrero 11,90
Marzo 11,30
Abril 11,70
Mayo 10,70
Junio 10,40
Julio 10,90
Agosto 11,70
Septiembre 11,30 Octubre 11,40 Noviembre 10,90 Diciembre 10,20 Promedio 11,19
Temperaturas promedio mensuales para el Valle del Mantaro tomadas en un punto ubicado en la zona rural localizada cerca a Sicaya Fuente: PVGIS European Comission