Radiación, Geometría, Recorrido óptico, Irradiancia
El artículo de hoy va dirigido a aquellos que comienzan a introducirse en el mundo de energía fotovoltaica. Conceptos como Irradiación, Horas Sol Pico, Azimut…. etc, serán de uso diario y es conveniente tenerlos claros desde un principio.
Contenido
Esperamos que os resulte útil a los que comienzan en esta profesión, o también, a los que les gusta estar informados.
Radiación Solar (La energía del sol):
El sol produce una cantidad de energía constante que, en el momento de incidir sobre la superficie terrestre pierde parte de su potencia debido a distintos fenómenos ambientales.
La potencia radiante de 1367 W/m2, denominada constante solar, que llega al Planeta Tierra no es la que finalmente alcanza la superficie terrestre debido a la influencia de los fenómenos atmosféricos, la actividad humana, la forma propia de la Tierra, el ciclo día/noche y la óribita elíptica de la Tierra.
De hecho, tal como vemos en la figura anterior, debido a esa órbita elíptica, la radiación que alcanza la atmósfera es mayor en los meses de invierno que en los meses de verano, pues, como decimos, debido a la órbita elíptica, la Tierra está más próxima a sol en esos meses tal como podemos ver en la siguiente ilustración:
A la vista está, la distancia entre el sol y la tierra oscila entre los 1.017 AU el 4 de Julio (Afelio) y unos 0,983 AU el 3 de Enero (Perifelio). Las unidades AU son “Unidades Astronómicas” y es la distancia promedio entre el Sol y la Tierra (150 millones de Kilómetros).
La difusión que se produce debida a la presencia de polvo y a la contaminación del aire depende, en gran medida, del lugar donde se mida, siendo mayor en los lugares industriales y en los lugares más poblados. Los efectos meteorológicos locales tales como nubosidad, lluvia o nieve afectan también a la irradiancia solar que llega a un determinado lugar.
Tipos de radiación:
Como se puede ver en la imagen anterior, la radiación solar que llega a la tierra se puede dividir en 3 componentes:
- Radiación solar directa
- Radiación solar difusa
- Radiación solar de albedo o reflejada
Radiación Directa:
Afectada por el fenómeno de absorción, es la que recibimos directamente del sol. Varía en función de la nubosidad del momento y también de la estación del año en que se mida.
Radiación Difusa:
Afectada por el fenómeno de difusión, es la que recibimos debido al reflejo de la radiación solar sobre las nubes, partículas del aire ... en días nublados es la que más recibimos.
Radiación global:
Suma de la radiación directa y difusa.
Radiación de albedo:
Es básicamente la radiación reflejada, por ejemplo en superficies blancas y similar. Se aprovecha mucho en módulos bifaciales.
Más info: Funcionamiento de los módulos bifaciales.
Además de la radiación directa, difusa y de albedo, hay que tener en cuenta que cuando los rayos solares no inciden perpendicularmente sobre las células fotovoltaicas, se producen pérdidas por reflexión y absorción en las capas anteriores a la célula, como el vidrio, encapsulante y capa antirreflexiva.
También es necesario tener en cuenta las pérdidas por suciedad y los efectos espectrales, ya que las células solares responden selectivamente a los fotones de la luz incidente, es decir, que para cada longitud de onda de la radiación solar incidente, generan una corriente determinada.
¿Cómo afecta esto a un panel solar?
La posición del sol varía durante el día y durante las estaciones, por lo tanto también varía el ángulo con el cual los rayos solares entran en contacto con una superficie como las los paneles solares.
La energía recibida dependen de la orientación y de la inclinación de los módulos fotovoltaicos. Una superficie horizontal recibe la mayor cantidad de energía en verano, cuando la posición del sol es alta y los días son más largos, mientras que una superficie vertical expuesta al sur recibe más aportes en invierno que en verano, aproximadamente 1,5 veces más con respecto a una horizontal.
Se debe buscar siempre una inclinación similar a la de la latitud del lugar (30-35º por ejemplo) y lo más orientada al Sur.
Irradiancia:
Si se suma toda la radiación global que incide sobre los paneles solares en un lugar determinado en un periodo de tiempo definido (hora, día, mes, año) se obtiene la energía en kWh/m2 (o enMJ/m2). Este valor es diferente según la región a la que hagamos referencia.
Para poder efectuar el diseño de una instalación fotovoltaica se necesita saber la radiación del lugar y determinar las horas sol pico. Para ello se ha de disponer de las tablas de radiación solar actualizadas de nuestro emplazamiento.
Para calcular las distintas componentes de la radiación sobre una superficie terrestre, será necesario conocer la irradiación incidente sobre una superficie situada fuera de la atmósfera como referencia, denominada radiación extraterrestre.
» Más información: ¿horas de sol y sol pico en España?
Recuerda la diferencia entre irradiancia e irradiación.
Irradiancia:
Es la magnitud que describe la radiación o intensidad de iluminación solar que llega hasta nosotros medida como una potencia instantánea por unidad de superficie. Sus unidades en el SI (Sistema Internacional) son el W/m2.
Irradiación:
Es la cantidad de irradiancia recibida en un lapso de tiempo determinado, es decir, la potencia recibida por unidad de tiempo y por unidad de superficie. Se suele medir en Wh/m2 o, en caso de un día, en Wh/m2/día o unidades equivalentes.
Constante Solar:
Se denota como B0 y es la irradiancia que recibe una superficie perpendicular al sol en el exterior de la atmósfera. Su valor es de unos 1.367 W/m2.
La irradiancia terrestre que reciben las placas fotovoltaicas se verá mermada por las variaciones de día/noche, presencia de nubes, ángulo de inclinación, orientación y suciedad.
Para calcular las distintas componentes de la radiación sobre una superficie terrestre, será necesario conocer la irradiación incidente sobre una superficie situada fuera de la atmósfera como referencia, denominada radiación extraterrestre.
Geometría solar
Para el cálculo de la producción energética de una instalación fotovoltaica es fundamental conocer la irradiación solar en el plano correspondiente a la instalación y la trayectoria solar en el lugar en las diferentes épocas del año.
O, de un modo más resumido o más visual:
Se define la orientación mediante el azimut (para el sol, ψ, y para el captador, γ).
Azimut Paneles Solares:
Por ejemplo, la orientación Este se considera ψ = – 90º, mientras que para la orientación Oeste, ψ = 90º. La inclinación viene definida por el ángulo β (para el módulo) y por la altura solar a o su complementario θz, (ángulo cenital) para el sol.
Recorrido óptico de la radiación solar
Por el contrario para ángulos cenitales mayores (menor altura solar) el camino a recorrer por la radiación solar en la atmósfera es mayor, lo que implica que la intensidad de la radiación solar que llega a la superficie terrestre es menor.
Masa de Aire:
Para una altura solar de α = 90º, AM = 1, que es el valor mínimo de AM y se corresponde con la situación del sol en el zenit (vertical del observador).
En la siguiente figura se tiene el ángulo cenital (cuanto más bajo está el sol, mayor es el ángulo cenital) y su correspondiente valor de AM. Por ejemplo, como podemos ver en la imagen, para una altura solar α = 90-48,19º = 41,81º, el AM tiene un valor de 1.5.
El valor de AM = 1 (sol en el cenit) no se da ningún día del año, excepto en latitudes que se encuentran en el ecuador. La radiación solar en el espacio exterior, es decir sin atravesar la atmósfera terrestre, supone AM = 0.
Resumiendo, a diferencia de la orientación e inclinación del panel solar, que las podemos adaptar para conseguir que la irradiancia recibida por el panel sea máxima, el efecto de la absorción atmosférica es algo que no podemos controlar, por lo que la cantidad de energía solar que se recibe realmente en la superficie terrestre es siempre inferior a la que se recibiría justo por encima de la atmósfera.
Ni que decir tiene que dependiendo de la latitud dónde nos encontremos la altura solar será diferente para cada día del año.
Orientación de placas solares – Irradiancia en superficies inclinadas
La radiación solar en una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar es siempre mayor que si la misma superficie la colocamos en cualquier otra posición.
Al variar el azimut y la altura solar a lo largo del día y del año, lógicamente el ángulo de incidencia de radiación óptimo no es siempre constante. La única situación donde eso ocurriría sería con un sistema que varíe la inclinación y orientación constantemente, como lo hace un seguidor solar.
Para considerar si una determinada superficie ya existente (un tejado, pérgola,…) es apta para su uso solar, es necesario conocer la radiación solar incidente sobre dicha superficie.
En la figura anterior se muestra un ejemplo de gráfico donde se aprecia el tanto por cierto de irradiación que recibirán unas placas solares en función de su orientación respecto al sur (azimut del panel) y su ángulo de inclinación.
En el ejemplo de la figura, podemos ver que una instalación fotovoltaica con un azimut de 45º (positivos pues es hacia el Oeste), representados por la linea de puntos que une el centro con los 45º, y con una inclinación de 30º (donde corta la linea de puntos con la circunferencia de los 30º), nos sale en la zona de mayor radiación, por lo que desviaciones de hasta 45º no afectan demasiado a la producción.
En nuestro ejemplo, hablaríamos de, en torno, a un 90% de radiación recibida durante el año.
Este tipo de gráficos deben estar adaptados a cada latitud, pues en función de esa latitud hay variaciones importantes.
Artículo elaborado por el departamento técnico de SunFields Europe - Proveedor de Equipos Energía Solar
Artículos Relacionados:
- ¿Qué es la energía solar fotovoltaica?
- Efecto Fotovoltaico
- ¿Cómo funcionan las placas solares?
- Variación de energía con la Inclinación de placas solares
- Efecto de la temperatura en paneles solares
- Efecto de las sombras en un panel solar
- ¿Qué se entiende por potencia pico de un panel?
- ¿Qué es un huerto solar?
- Guía de uso de PVGIS
Autor / Redactor:
José Alfonso Alonso Lorenzo
Profesional Fotovoltaico desde 2006.
- Ingeniero técnico Industrial por la Escuela Politécnica de Ferrol.
- Experto en Solar Fotovoltaica por el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas de Madrid en 2009-2010.
- Experto Profesional en Energía Fotovoltaica, por la UNED 2010-2011.
- Gerente y Responsable de Compras en SunFields Europe desde 2010.
Más sobre mí en: https://es.linkedin.com/in/jose-a-alonso-sunfields/
Muy interesante.Muchas gracias
Muy interesante y didáctico el artículo, una duda que me surge, si los paneles en una cubierta por ejemplo, los instalas en vez de en vertical en horizontal, ¿cambiaría el azimut del panel?
Saludos cordiales.
Gracias por la información, muy interesante para los que espesamos a capacitarnos para instaladores.
Hola Alberto, no, no cambia. Si te fijas en la definición: El azimut solar es el ángulo que forma la dirección sur con la proyección horizontal del sol, hacia el norte por el noreste o por el noroeste, considerando la orientación sur con ψ = 0º, y considerando los ángulos entre el sur y el noreste negativos y entre el sur y el noroeste positivos.
Por tanto no tiene relación si el panel está en horizontal o en vertical. Si que es cierto que, en caso de que haya sombras, es siempre mejor instalar en horizontal por que si instalas en vertical puedes perder el 100% de la producción del panel en caso que entren los diodos de bypass en funcionamiento al tener sombra la fila inferior de celulas.
cuanto sería la pérdida si instalo la placa de 100w por ejemplo en horizontal orientada al sur respecto a instalarla con 30 grados al sur.
Para respnder esa pregunta habría que analizar en detalle ese caso concreto, pero a grandes rasgos…. en horizontal a 0º no es recomendable por tema de acumulación de suciedad que no se va a poder eliminar con lluvia, y luego, la diferencia entre instalar con más o menos inclinación… afectará algo más positivamente en invierno y algo más negativamente en verano, y viceversa, según tenga mayor o menor inclinación respectivamente.