Forward Physical Channels

La radiación solar sobre la superficie terrestre tiene variaciones temporales, siendo unas aleatorias, como la nubosidad, y otras previsibles, como son los cambios estacionales o el día y la noche, provocadas por los movimientos de la Tierra. Para facilitar su estudio, la radiación solar sobre un receptor se clasifica en tre s componentes: directa, difusa y reflejada o de albedo (figura 3.1).

 Radiación directa: la forman los rayos recibidos directamente del Sol.

 Radiación difusa: procedente de toda la bóveda del cielo, excluyendo el disco solar, la forman los rayos dispersados por la atmósfera en dirección al receptor (por ejemplo, en un día completamente nublado toda la radiación recibida es difusa).

 Radiación reflejada o de albedo: reflejada por la superficie terrestre hacia el receptor. Depende directamente de la naturaleza de las montañas, lagos, edificios, etc. que rodean al receptor.

65 Figura 3.1 Tipos de radiación sobre una superficie.

La suma de todas las radiaciones descritas recibe el nombre de radiación global que es la radiación solar total que recibe la superficie de un receptor y por lo tanto

la que nos interesa conocer y cuantificar.

Para cuantificar la radiación solar se utilizan dos magnitudes que corresponden a la potencia y a la energía de la radiación que llegan a una unidad de superficie, se denominan irradiancia e irradiación y sus definiciones y unidades son las siguientes:

Irradiancia: potencia o radiación incidente por unidad de superficie. Indica la intensidad de la radiación solar. Se mide en vatios por metro cuadrado (W/m2).

66 Irradiación: integración o suma de las irradiancias en un periodo de tiempo determinado.

Es la cantidad de energía solar recibida durante un periodo de tiempo. Se mide en julios por metro cuadrado por un periodo de tiempo (J/m2 por hora, día, semana, mes, año, etc., según el caso). En la práctica, dada la relación con la generación de energía eléctrica, se utiliza como unidad el W·h/m2 y sus múltiplos más habituales kW·h/m2 y MW·h/m2.

La irradiancia que genera el Sol es de aproximadamente 6,35 · 107 W/m2 y solo una pequeña parte de esta radiación llega al exterior de la atmósfera terrestre, 1.367 W/m2 aproximadamente. Este valor de la radiación solar extra- atmosférica recibe el nombre de constante solar (

B

0) y se recibe cuando la

Tierra está situada a una distancia de 1 ua del Sol. La absorción de la atmósfera en condiciones

AM1

, que es el recorrido atmosférico mínimo, reduce la irradiancia que llega a la superficie terrestre a 1.000 W/m2, valor de irradiancia normalizado que se utiliza para definir los parámetros nominales de los módulos fotovoltaicos.

La figura 3.2 es un ejemplo de valores de irradiancia sobre la superficie terrestre según las componentes directa o difusa de la radiación solar.

Para especificar la radiación global mediante sus correspondientes magnitudes, irradiancia global e irradiación global, se utiliza la letra

G

, sin subíndice para la irradiancia global y con uno o dos subíndices para la irradiación global. En la especificación de la irradiación global, el primer subíndice indica el periodo de tiempo de integración de la irradiación: horaria (

h

), diaria (

d

), mensual (

m

) o anual (

a

). El segundo subíndice indica un valor medio de la irradiación: valor medio mensual (m) o valor medio anual (a).

67 Figura 3.2 Escala de irradiancia en función de la composición de la radiación solar.

Entre paréntesis, después de la letra

G

, se especifica la orientación e inclinación de la superficie donde se recibe la radiación solar,

G(α, β)

, donde α es el acimut de la superficie y

β

la inclinación. Si el acimut es cero, solo se indica la inclinación.

Por ejemplo:

G(0)

Irradiancia global sobre una superficie horizontal.

G(35, 45)

Irradiancia global sobre una superficie con acimut 35° (Oeste) e inclinada 45º°.

G

a

(0)

Irradiación global anual sobre una superficie horizontal.

G

h

(30)

Irradiación global horaria sobre una superficie orientada al

Sur (acimut cero) e inclinada 30°.

G

dm

(–20, 30)

Media mensual de irradiación global diaria sobre una

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Determinar la cantidad de energía solar que llega a una superficie, dado el carácter aleatorio que tiene el clima, es hacer una predicción basada en datos históricos. Podemos conocer cuánta energía solar se ha recibido en el pasado, en un lugar determinado, porque hay bases de datos que almacenan esa información sobre el clima, pero no podemos saber cuánta energía solar se recibirá en el futuro en ese lugar, solo podemos suponer que el comportamiento del clima en el futuro será parecido al del pasado y basándonos en esto, calcular la energía solar que se recibirá. Las bases de datos existentes utilizan registros históricos de varios años con los datos horarios o diarios de irradiancia solar sobre superficie horizontal o inclinada. Los datos se tratan para obtener un modelo de comportamiento anual que recoge, para cada mes, la media de todos los valores de radiación recogidos para ese mes a lo largo de los años. La tabla 3.1 es un ejemplo de datos de radiación solar global medida en la Ciudad de Santiago de Querétaro de julio 2008 a mayo 2010.

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Estado Ciudad Ene Feb Mar Abr May Jun Jul Ago Sep Oct Nov Dic Min Max Med Aguascalientes Aguascalientes 4.5 5.2 5.9 6.6 7.2 6.3 6.1 5.9 5.7 5.1 4.8 4 4 7.2 5.6

Baja California Mexicali 4.1 4.4 5 5.6 6.6 7.3 7 6.1 6.1 5.5 4.5 3.9 3.9 7.3 5.5

Campeche Campeche 4.8 5.7 6 5.3 5.4 4.9 4.9 5.3 5.2 5.4 5 4.3 4.4 6 5.2

Chiapas Tuxtla Gutiérrez 3.8 4.4 4.6 4.8 5.3 5.1 5.4 5.3 4.9 4.4 4.1 3.7 3.7 5.4 4.7

Chihuahua Chihuahua 5.8 6.4 6.8 6.9 6.9 6.4 6.4 6.5 6.8 6.8 6 5.2 5.3 8.9 5.9 Coahuila Saltillo 3.8 4.2 4.8 5.1 5.6 5.9 5.9 5.6 5.2 4.4 3.6 3.3 3.3 5.9 4.8 Colima Colima 4.4 5.1 5.3 5.8 6 5.2 4.9 5 4.6 4.4 4.4 3.9 3.9 6 4.9 D.F. Tacubaya 5.4 6 6.4 5.9 5.3 5.1 4.5 4.9 4.5 4.8 5.2 5.2 4.5 6.4 5.3 Durango Durango 4.4 5.4 6.5 7 7.5 6.8 6 5.6 5.7 5.1 4.8 3.9 3.9 7.5 5.7 Guanajuato Guanajuato 4.4 5.1 6.1 6.3 6.6 6 6 5.9 5.8 5.2 4.8 4.6 4.4 6.6 5.6 Guerrero Acapulco 4.8 5.3 6.1 5.9 5.6 5.1 5.3 5.4 4.9 5.2 5 4.7 4.7 6.1 5.3 Hidalgo Pachuca 4.6 5.1 5.6 6.8 6 5.7 5.9 5.8 5.3 4.9 4.6 4.2 4.2 6.8 5.4 Jalisco Colotlán 4.6 5.7 6.5 7.5 8.2 6.6 5.8 5.6 5.8 5.3 4.9 4.1 4.1 8.2 5.9 Jalisco Guadalajara 4.6 5.5 6.3 7.4 7.7 5.9 5.3 5.3 5.2 4.9 4.8 4 4 7.7 5.6 Michoacán Morelia 4.2 4.9 5.5 5.8 5.9 5.2 5 5.1 4.9 4.6 4.3 3.7 3.7 5.9 4.9 Nayarit Tepic 3.9 4.3 4.8 5.5 6.1 5.3 4.9 5.3 4.4 4.4 4 4.8 3.9 6.1 4.8

Nuevo León Monterrey 3.2 3.6 4.1 4.3 4.8 5.5 6.1 5.6 5 3.8 3.3 3 3 6.1 4.4

Oaxaca Oaxaca 4.9 5.7 5.8 5.5 6 5.4 5.9 5.6 5 4.9 4.8 4.4 4.4 6 5.3

Puebla Puebla 4.9 5.5 6.2 6.4 6.1 5.7 5.8 5.8 5.2 5 4.7 4.4 4.4 6.4 5.5

Querétaro Querétaro 5 5.7 6.4 6.8 6.9 6.4 6.4 6.4 6.3 5.4 5 4.4 4.4 6.9 5.9

QuintanaRoo Chetumal 3.9 4.7 5.4 5.7 5.3 4.7 4.9 5 4.5 4.4 4 3.7 3.7 5.7 4.7

San Luis Potosí San Luis Potosí 4.3 5.3 5.8 6.4 6.3 6.1 6.4 6 5.5 4.7 4.2 3.7 3.7 6.4 5.4

Sinaloa Culiacán 3.6 4.2 4.8 5.4 6.2 6.2 5.4 5.1 5.2 4.6 4.2 3.4 3.4 6.2 4.9 Sonora Hermosillo 4 4.6 5.4 6.6 8.3 8.6 6.9 6.6 6.7 6 4.7 3.9 3.9 8.6 6 Tamaulipas Tampico 3.3 4.1 4.7 6.4 5 4.9 4.9 4.9 4.6 4.6 3.7 3.2 3.2 6.4 4.5 Tlaxcala Tlaxcala 4.6 5.1 5.5 5.4 5.6 5.2 5.3 5.2 5.1 4.9 4.7 4 4 5.6 5.1 Veracruz Veracruz 3.7 4.5 4.9 5.1 5.1 4.8 4.7 5.1 4.6 4.8 4.1 3.6 3.6 5.1 4.6 Yucatán Mérida 3.7 4 4.6 5.2 5.7 5.5 5.7 5.5 5 4.2 3.8 3.4 3.4 5.7 4.7 Zacatecas Zacatecas 4.9 5.7 6.6 7.5 7.8 6.2 6.2 5.9 5.4 4.8 4.8 4.1 4.1 7.8 5.8

Tabla 3.2 Insolación global media inclinación a a latitud en México en kWh/m2-Día.

Fuentes: Actualización de los Mapas de Irradiación Global solar en la República Mexicana (R. Almanza S. ,E. Cajigal R., J. Barrientos A. 1997).

Se puede calcular el valor medio anual de la irradiación global diaria sobre una superficie inclinada, con fórmulas sencillas, partiendo de los valores medios anuales de la irradiación global diaria horizontal [

G

da (0)] de la tabla 1.3,

70

como datos de partida la latitud de la localidad y la inclinación óptima (

β

opt) de

la superficie del generador. La irradiación global anual que se obtiene sobre la superficie con inclinación óptima y acimut cero es:

(3.1)

G

a

(β

opt

)

: Valor medio anual de la irradiación global sobre superficie con

inclinación óptima (kW·h/m2)

Ga(0):

Media anual de la irradiación global horizontal (kW · h/m2)

βopt:

Inclinación óptima de la superficie (°)

3.1.1. Factor de irradiación (FI).

Siempre que sea posible se debe orientar la superficie del generador de forma óptima

(α = 0°

y

β

opt

)

. Sin embargo este requisito no siempre se puede

cumplir. Pueden condicionar la orientación de la superficie, la integración arquitectónica, la

resistencia al viento, la acumulación de nieve, etc.

Para considerar estas pérdidas, debidas a la inclinación y orientación no óptimas,

se aplica un coeficiente de reducción de la energía denominado factor de irradiación (

FI

) y que se calcula con las expresiones siguientes:

Para ángulos de inclinación: 15° <

β

≤ 90°:

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