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Conceptos fundamentales sobre energía solar fotovoltaica

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.

Esperamos que os resulte útil a los que comienzan en esta profesión y a los que les gusta estar informados.

#1 – 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.

Energía Solar: Radiación atmosférica solar mensual

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:

Distancia sol-tierra Anual

 

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 atmósfera atenúa la radiación solar debido a los fenómenos de reflexión, absorción y difusión que los componentes atmosféricos (moléculas de aire, ozono, vapor de agua, CO2, aerosoles, etc.) producen sobre ésta.

Flujo de energía desde el sol hasta las placas solares

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.

Además de la radiación directa, difusa y de albedo, hay que tener en cuenta que cuando los rayos solares no inciden perpendicularmente sobre unas celdas 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.

Teniendo en cuenta todos estos parámetros, la irradiancia que incide en un plano horizontal de la superficie terrestre un día claro al mediodía alcanza un valor máximo de 1000 W/m2 aproximadamente. Este valor depende del lugar y, sobre todo, de la nubosidad, como decimos.

Si se suma toda la radiación global que incide sobre unas placas fotovoltaicas 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.

 

Mapa Solar España horas sol pico

 

Para poder efectuar el diseño de una instalación fotovoltaica se necesita saber la radiación del lugar. Para ello se ha de disponer de las tablas de radiación solar actualizadas de nuestro emplazamiento.

Como resumen de estos primeros conceptos, resaltar:

Irradiación: Densidad de energía solar recibida en un determinado periodo de tiempo, medido en Wh/m2, o si es por día, Wh/m2/día.

Irradiancia: Densidad de potencia instantánea recibida, se mide en W/m2.

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.

 

#2 – Energía fotovoltaica – 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. La situación del sol en un lugar cualquiera viene determinada por la altura y el azimut del sol.

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.

 

Esquema geometría-trayectoria solar para cálculo paneles solares

O, de un modo más resumido o más visual:

 

geometria solar para cálculo paneles solares

Se define la orientación mediante el azimut (para el sol, ψ, y para el captador, γ). 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 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.

y otoño). Los demás días del año el sol recorre trayectorias intermedias entre las representadas.

 

#3 – Recorrido óptico de la radiación solar

Cuanto más perpendicular se encuentra el sol con respecto a la superficie terrestre (es decir, cuanto menor valor del ángulo cenital) menor es el camino que recorre la radiación solar a través de la atmósfera. 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.

Para ello se define la masa de aire, (AM) como el cociente entre el recorrido óptico de un rayo solar y el correspondiente a la normal a la superficie terrestre (ángulo cenital cero) y que está relacionada con la altura solar (α).

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.

altura solar y masa aire
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 donde nos encontremos la altura solar será diferente para cada día del año.

#4 – Irradiancia sobre placas solares 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.

Radiación solar sobre un panel en función de inclinación y orientaciónEn la figura anterior se muestra un ejemplo de gráfico donde se aprecia el tanto por cierto de irradiación que recibirá un panel solar en función de su desviación 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.

#5 – Horas de sol pico (H.S.P.)

Aunque ya lo hemos definido en otras ocasiones, merece la pena hacer hincapié en este concepto relacionado con la radiación solar y que es de gran importancia a la hora de calcular la producción de un sistema fotovoltaico.

Las “horas de sol pico” que pueden definirse como el número de horas al día con una hipotética irradiancia de 1.000 W/m2 que en conjunto suman la misma irradiación total que la real de ese día.

Una hora solar pico “HPS” equivale a 1Kwh/m2 o, lo que es lo mismo, 3.6 MJ/m2. Dicho en otras palabras, es un modo de contabilizar la energía recibida del sol agrupándola en paquetes, siendo cada “paquete” de 1 hora recibiendo 1000 watts/m2.

Energía Fotovoltaica - Gráfico Horas Sol Pico

Para calcular entonces el valor de HPS se debe dividir el valor de la irradiación incidente entre el valor de la potencia de irradiancia en condiciones estándar de medida (STC), pues es en esas condiciones donde se cumplen las características eléctricas de los módulos fotovoltaicos. Ese valor de irradiancia en condiciones estándar de medida es de 1000 watts/m2. Es decir, si se dispone de los datos de irradiación solar de un determinado día y se divide entre 1000, se obtienen las HSP.

Por ejemplo, si tenemos una irradiación de 3.800 Wh/m2, para pasarla a HSP, se divide entre 1.000W/m2, con lo que obtenemos 3.8 HPS.

Hasta aquí esta entrega de conceptos fundamentales sobre energía fotovoltaica que confiamos haya sido de utilidad.

Recordamos que nuestra empresa es proveedor de equipos fotovoltaicos, cualquier necesidad de suministro, pueden ponerse en contacto con nosotros.

Artículo elaborado por el departamento técnico de SunFields Europe

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