Replanteo y funcionamiento de instalaciones solares fotovoltáicas. ENAE0108. Ramón Guerrero Pérez
imaginaria que rodea la tierra y que pasa por los polos) del lugar correspondiente.
En las latitudes españolas (40º aproximadamente), la orientación óptima de los módulos fotovoltaicos es hacia el sur. Sin embargo, la energía que se deja de generar por estar estos módulos orientados hacia el sureste o suroeste, representa solo un 0,2 % por cada grado de desviación respecto al sur.
Del mismo modo, la inclinación óptima de los módulos fotovoltaicos depende de la latitud del lugar donde se instalen, lo que implica una inclinación entre 5º y 10º respecto a la latitud (por ejemplo, resultarían unos 35º en el centro de la península), y de la época del año en la que se quiera maximizar la producción.
En cualquier caso, es recomendable una inclinación superior a los 15º, para permitir que el agua de la lluvia se escurra. Donde nieva con cierta frecuencia, es recomendable una inclinación a partir de los 45º, para favorecer el deslizamiento de la nieve. En definitiva, es recomendable acercarse a las condiciones óptimas de la instalación: orientación sur e inclinación entre 5º y 10º menos que la latitud.
Las denominadas horas de pico solar constituyen un parámetro fundamental para el dimensionado de los sistemas fotovoltaicos. Corresponden al número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captadora obtiene, de modo constante, 1000 W de energía. El número de horas pico de un día concreto, se puede calcular dividiendo la energía producida en ese día entre 1000 W/m2. En España, la media de horas solares pico es de tres a seis, aunque varía entre el norte y el sur, y de invierno a verano.
3.8. Cálculo de radiación difusa y directa sobre superficies horizontales y sobre superficies inclinadas
Para el cálculo y dimensionado de sistemas solares fotovoltaicos es importante conocer los valores de radiación difusa y directa que incide sobre las superficies captadoras de energía solar (paneles fotovoltaicos).
Notación
En las expresiones que se utilizan para el cálculo de la radiación difusa y directa que incide sobre superficies horizontales e inclinadas se utilizan las siguientes variables:
1 A Índice anisotrópico, Ib/Io.
2 Eo Factor de corrección de la excentricidad de la órbita terrestre.
3 Gcs Constante solar, 1 367 Wm-2.
4 H Irradiación global diaria promedio mensual en una superficie horizontal.
5 Hb Irradiación directa diaria promedio mensual en una superficie horizontal.
6 Hbn Irradiación directa normal diaria promedio mensual en una superficie horizontal.
7 Hd Irradiación difusa diaria promedio mensual en una superficie horizontal.
8 Ho Irradiación extraterrestre diaria promedio mensual.
9 I Irradiación global horaria promedio mensual en una superficie horizontal.
10 Ib Irradiación directa horaria promedio mensual en una superficie horizontal.
11 Ibn Irradiación directa normal horaria promedio mensual en una superficie horizontal.
12 Id Irradiación difusa horaria promedio mensual en una superficie horizontal.
13 Iβ Irradiación global horaria promedio mensual en una superficie inclinada.
14 Ibβ Irradiación directa horaria promedio mensual en una superficie inclinada.
15 Idβ Irradiación difusa horaria promedio mensual en una superficie inclinada.
16 N Duración del día promedio mensual calculada.
17 Rb Razón de la irradiación directa en una superficie inclinada y una superficie horizontal.
18 a, b Constantes de regresión.
19 f Factor de nubosidad, Ib/I.
20 hr Humedad relativa promedio mensual.
21 λ Factor empírico de latitud.
22 m Número de días en un mes.
23 n Horas de insolación medidas promedio mensual.
24 nd Número de días del año.
25 r Número de días con lluvia en un mes.
26 rd Razón entre la irradiación global horaria y la irradiación global diaria.
27 rt Razón entre la irradiación difusa horaria y la irradiación difusa diaria.
28 β Ángulo de inclinación del plano receptor, b = f, en este trabajo.
29 ωs Ángulo horario al alba (ocaso).
30 θ Ángulo de incidencia.
31 θz Ángulo zenital.
32 δ Declinación.
33 φ Latitud.
Radiación difusa y directa
En su paso a través de la atmósfera, parte de la radiación solar es atenuada por dispersión y otra parte, por absorción. La radiación que es dispersada por la atmósfera se conoce como radiación difusa, mientras que la que llega a la superficie de la tierra sin haber sufrido cambio en su trayectoria, se denomina radiación directa. Conocer el flujo de la radiación solar directa y difusa es importante para el análisis y diseño de la mayoría de los sistemas solares. Para el cálculo de la radiación difusa y directa, destaca la denominada “Correlación de Page”:
Hd = H · [1.0 - 1.13 H/Ho]
1 La radiación solar extraterrestre global diaria promedio mensual en una superficie horizontal, se calcula con la siguiente fórmula:
Ho = (24 × 3600 Gcs)/π Eo [cos φ cos δ sin ωs+(2π ωs)/360 sin φ sin δ]
1 El factor de corrección de la excentricidad de la órbita terrestre, se calcula con la ecuación:
Eo = 1.00011 + 0.00128 sin Γ + 0.000719 cos 2 Γ + 0.00077 sin Γ
1 El ángulo horario al alba o al ocaso (ωs), se calcula con:
ωs = cos-1 (-tan φ tan δ)
1 La irradiación directa horizontal promedio mensual es la irradiación global menos la irradiación difusa:
Hb = H - Hd
Radiación en un plano inclinado
El cálculo de la radiación solar sobre una superficie inclinada no es un problema sencillo. Convertir datos de radiación directa sobre una superficie horizontal a una superficie inclinada se reduce a un planteamiento geométrico de la dirección de la radiación, de la siguiente forma:
Ib = IRb
Donde Rb = cos θ /cos θz es la razón de la radiación directa en una superficie inclinada y una superficie horizontal. Para el caso de la radiación difusa, es un problema que depende de su distribución en el hemisferio celeste, de las condiciones de nubosidad y de la turbiedad atmosférica.
Sin embargo, ha sido posible obtener valores que resultan satisfactorios para los propósitos de este trabajo e incluir un factor que considera el abrillantamiento del horizonte. La radiación difusa se calcula con:
Idb = Id {(1 - A) [0.5 (1 + cos β)] [1 + f sin3 (β/2) + A Rb ]} + 0.2 I [0.5(1 - cos β)]
Donde A es un índice anisotrópico dado como una función de la transmitancia atmosférica para la radiación directa, Ib/Io, f = Ib/I es un factor de nubosidad.