CURSO FOTOVOLTAICA

CONCEPTOS GENERALES

TEMARIO

Energa Solar Fotovoltaica

Coordenadas y Movimientos de la Tierra

Coordenadas Solares

Orientacin de Mdulos

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ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA La energa solar fotovoltaica es la energa procedente del Sol que se convierte

en energa elctrica de forma directa, sin ninguna conversin intermedia.

Se produce mediante generadores fotovoltaicos compuestos por mdulos

fotovoltaicos conectados entre s que su vez estn compuestos por unidades

bsicas denominadas clulas solares o fotovoltaicas.

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ENERGA SOLAR FOTOVOLTAICA La inclinacin y la orientacin adecuadas de dicha superficie son

fundamentales para conseguir una conversin eficiente de energa solar en

energa elctrica.

Para conseguir este objetivo es necesario conocer un conjunto de conceptos

bsicos y la terminologa utilizada para describir el movimiento de la Tierra

alrededor del Sol, definir una posicin sobre la superficie de la Tierra y cuantificar

la cantidad de energa solar recibida en una superficie situada en un lugar

determinado.

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COORDENADAS Y MOVIMIENTOS DE LA TIERRA Mediante las coordenadas geogrficas, latitud y longitud podemos definir con precisin una posicin cualquiera de la superficie terrestre. Se expresan en grados sexagesimales y se dan con referencia al ecuador y al meridiano de Greenwich.

Latitud. La latitud () es la distancia angular que existe entre un punto cualquiera de la superficie terrestre y el ecuador, medida sobre el meridiano que pasa por dicho punto Se mide de 0 a 90 y se define como positiva en el hemisferio norte y negativa en el hemisferio sur. Los Polos Norte y Sur tienen latitud 90 N (+90) y 90 S (90) respectivamente. Longitud. Es la distancia angular que existe entre un punto cualquiera de la superficie terrestre y el meridiano de Greenwich. La longitud se mide de 0 a 180 y se define como positiva hacia el Oeste (hemisferio occidental) y negativa hacia el Este (hemisferio oriental).

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COORDENADAS Y MOVIMIENTOS DE LA TIERRA

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MOVIMIENTO DE LA TIERRA

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Distancia Media entre

la Tierra y el Sol

(Unidad Astronmica)

Movimiento de Rotacin 23 horas, 56 minutos y 4 segundos

Esta inclinacin del eje polar provoca los cambios

estacionales, las diferentes duraciones de las noches y los

das en verano y en invierno, y tambin la que hace que el

Sol est ms alto al medioda, en verano que en invierno.

MOVIMIENTO DE LA TIERRA La declinacin () es el ngulo que forma el plano del ecuador de la Tierra con la lnea

situada en el plano de la eclptica, que une los

centros del Sol y de la Tierra.

Este ngulo vara a lo largo de la rbita de la

Tierra alrededor del Sol, alcanzando valores

mximos en los solsticios de verano (declinacin

mxima positiva, =23,45) e invierno (declinacin mxima negativa, =23,45) y valores nulos en los equinoccios (declinacin

nula, =0). Aunque la declinacin vara se puede suponer que permanece constante a lo

largo de un da.

n

= declinacin grados

= da del ao 1,..,365

n28423,45 sen 360365

COORDENADAS SOLARES Para situar la posicin del sol en el cielo se utiliza el concepto de

esfera celeste, que es una esfera imaginaria de radio arbitrario, centrada en el observador, sobre la que se proyecta la posicin del Sol. Este sistema de representacin muestra las posiciones del Sol

como si tuviera un movimiento aparente alrededor de la Tierra siguiendo una trayectoria dentro del plano de la eclptica que forma un ngulo de 23,45 grados con el ecuador de la esfera celeste. El Sol recorre la eclptica una vez al ao y la esfera celeste gira

una vez al da en torno a la tierra.

En el sistema de coordenadas de la esfera celeste, que es similar al usado

para definir la longitud y latitud terrestres, se especifica la posicin del sol

mediante dos ngulos que se denominan elevacin y acimut.

Estas coordenadas solares se definen respecto a la direccin vertical que es

la direccin que marcara una plomada, que apuntando hacia abajo, se

dirigira hacia el centro de la Tierra y hacia arriba interceptara a la esfera

celeste en un punto denominado cenit. La interseccin con el hemisferio

opuesto de la esfera celeste definira el punto opuesto al cenit denominado

nadir.

COORDENADAS SOLARES Elevacin solar s: es el ngulo que forman los

rayos solares con la horizontal. Toma valores que van de (90 f ) en el solsticio de invierno a (90 f + ) en el solsticio de verano, siendo f la latitud del lugar y la declinacin.

Acimut solar Ys: ngulo formado por el

meridiano del sol y el meridiano del lugar, tomando como referencia el Sur en el hemisferio norte y el Norte en el hemisferio sur. Tiene valores positivos de 0 a 180 hacia el Oeste y negativos

de 0 a 180 hacia el Este. ngulo o distancia cenital qzs: ngulo formado por la direccin del sol y la vertical. Es el ngulo complementario de la elevacin solar.

Afta s = 42,9 S.I s = 89,9 S.V

COORDENADAS SOLARES

La figura representa las trayectorias aparentes del sol en los solsticios de verano e invierno y en los equinoccios de primavera y otoo, respecto de un observador que mira al Sur.

La elevacin solar alcanza en los solsticios de verano e invierno sus valores mximo y mnimo, respectivamente. En la figura se ha marcado la posicin del Sol a una hora determinada (10AM). El observador porta un plano en el que se reflejan las diferentes trayectorias anuales del Sol. Este plano recibe el nombre de carta

solar.

COORDENADAS SOLARES El conjunto de trayectorias del Sol en un lugar

determinado se puede representar en una carta solar que refleja la posicin del Sol, acimut y elevacin, en cada hora, desde el punto de vista de un observador que mira hacia el Sur (en el

hemisferio norte. En el hemisferio sur mirara hacia el Norte). Veamos cmo se interpreta: tomamos la lnea que representa a un da, por

ejemplo el 21 de marzo, nos situamos en la posicin Este, amanece a las 6 de la maana (6 AM), elevacin 0 y acimut 90;

A las 11 de la maana (11 AM), elevacin 50, acimut 22 aproximadamente; al medioda (12), elevacin 52 aproximadamente, acimut 0; a las 3 de la tarde (3 PM), elevacin 32 aproximadamente; acimut +60.

La carta solar es un instrumento muy til para determinar las prdidas por sombras que se producen en un generador fotovoltaico

COORDENADAS SOLARES

ORIENTACIN DE MDULOS Una vez descritas las coordenadas que nos

permiten situar el Sol en el cielo, hay que situar la superficie del generador fotovoltaico de manera que reciba la mayor cantidad posible de energa solar.

Esto depende de: La orientacin de la superficie del generador

fotovoltaico. El tiempo que se va a usar a lo largo del ao:

anual, estacional, etc.

La aplicacin que va a tener: autnomo, conectado a la red, etc.

ngulo de acimut (a): ngulo que forma la proyeccin sobre el plano horizontal de la perpendicular a la superficie del generador y la direccin Sur. Vale 0 si coincide con la

orientacin Sur, es positivo hacia el Oeste y negativo hacia el Este. Si coincide con el Este su valor es 90 y si coincide con el Oeste su valor es +90.

ORIENTACIN DE MDULOS

ngulo de inclinacin (b): ngulo que forma la superficie del generador con el plano horizontal. Su valor es 0 si el mdulo se coloca horizontal y 90 si

se coloca vertical. Una superficie recibe la mayor cantidad posible de energa si es perpendicular a la direccin del Sol.

Como la posicin del Sol vara a lo largo del da, la posicin ptima de la superficie tambin tendr que ser variable.

ORIENTACIN DE MDULOS

Hemos definido la declinacin () como el ngulo variable que forma el ecuador con el plano de la eclptica.

Por lo tanto la direccin de la radiacin solar incidente sobre la tierra vara en funcin de la declinacin. La latitud (f) de un lugar A indica el ngulo que forma la vertical de ese lugar con el

ecuador. A lo largo del ao el ngulo cenital qzs que forma la vertical de un lugar A con la direccin de la radiacin solar vara desde qzs = f en el solsticio de verano a qzs = f + en el solsticio de invierno, pasando dos veces por el valor qzs = f en los equinoccios del ao.

ORIENTACIN DE MDULOS

Para que una superficie reciba la radiacin solar perpendicularmente tendremos que inclinar la superficie un ngulo b con la horizontal igual al que forma la vertical del lugar con la radiacin solar. Tendremos que variar el ngulo de inclinacin desde:

b = f en el solsticio de verano (figura c) b = f + en el solsticio de invierno (figura a) b = f en los equinoccios (figura b).

ORIENTACIN DE MDULOS

La orientacin ptima ser un valor constante, con una inclinacin (b) que va a depender de la latitud f del lugar y un acimut (a) que depende del hemisferio en el que est situado el generador.

La figura muestra una superficie situada en el hemisferio norte, donde el Sol sigue una trayectoria Este-Sur-Oeste. Si pretendemos

maximizar la captacin de energa solar, la superficie tendr que estar orientada hacia el Sur y por lo tanto el ngulo de acimut (a) debe ser nulo. El acimut ptimo para que una superficie fija reciba la mayor cantidad posible de energa solar debe ser cero (a = 0) , la superficie se debe orientar hacia el Sur si est situada en el hemisferio norte o hacia el Norte

si es est en el hemisferio sur.

ORIENTACIN DE MDULOS

Para determinar la inclinacin ptima de una superficie fija se usa una frmula basada en anlisis estadsticos de radiacin solar anual sobre superficies con diferentes inclinaciones situadas en lugares de diferentes latitudes, que proporciona la inclinacin ptima en funcin de la latitud del lugar:

opt opt3,7 0,69 ngulo de inclinacin ptima grados

latitud del lugar, sin signo grados

b f b

f

La frmula es vlida para aplicaciones de utilizacin anual que busquen la mxima captacin de energa solar a lo largo del ao. En la prctica tambin se utilizan expresiones, basadas en la experiencia y la observacin, que proporcionan la inclinacin ptima en funcin del periodo de tiempo y el uso que se le

va a dar al generador fotovoltaico.

Tipo de Instalacin Uso Mxima captacin de energa Inclinacin ptima

Conectadas a la Red Anual Anual

Bombeo de Agua Anual Verano

Autnomas de consumo anual constante

Anual Periodo de menor radiacin (por ejemplo, invierno)

opt 10b f

opt 20b f

opt 10b f

ORIENTACIN DE MDULOS

Hay aplicaciones en las que no se usa el criterio de mxima captacin de energa para determinar la inclinacin. En lugares con nevadas frecuentes se requieren inclinaciones prximas a 90 para evitar acumulaciones sobre la superficie del generador. En zonas desrticas, para evitar acumulacin de arena es necesaria una inclinacin

mnima de 45. En regiones lluviosas tropicales hace falta una inclinacin mnima de 30.