LA ENERGIA SOLAR Y SU CUANTIFICACION SOBRE SUPERFICIES PLANAS

1.- INTRODUCCION

“Mientras el uso de fuentes de energía convencional implica normalmente explotación masiva, donde el tiempo de explotación de la naturaleza se mide en dólares, en términos de la mas rápida ganancia posible; el uso de las energías alternativas significa ritmos de explotación altamente compasibles con el tiempo de la conservación dentro de la estrategia ancestral de la cultura andina, donde se hace referencia al tiempo mítico, a la contaminación a plazo indefinido de la naturaleza que nos sustenta”. 1.1.- OBJETIVO

- Especificar la naturaleza de las aplicaciones más comunes de la energía solar.- Desarrollar un marco refencial sobre el significado de lo que es energía y desarrollo en el

entorno rural Boliviano y especialmente de la región.- Desarrollar el marco conceptual de las variables más características de la cuantificación de la

energía solar.- Proponer una metodología de cálculo de la energía solar incidente en superficies planas.

1.2.- FUNDAMENTO TEORICO

2.2.1 MECANISMO DE LA RADIACION, EL SOL Y LA ENERGIA SOLAR

La cuantificación de la energía solar esta fuertemente ligada con el del mecanismo de la radiación.

a) FUNDAMENTO DEL MECANISMO DE RADIACION

- Calor emitido por un cuerpo negro que es el que emite la máxima cantidad posible de radiación:

1.2.1

Constante de Stefan Boltzman

- La radiación esta vinculada con la longitud de onda ( ) y de la temperatura que están relacionadas por la ley de wien:

1.2.2

- El mecanismo de la radiación el sol y la energía solar

No todos los cuerpos se comportan como un cuerpo negro teniendo como referencia el comportamiento del cuerpo negro la cantidad de calor radiante emitido por un cuerpo gris o real

1.2.3

: emitan Cía. de la superficie por dos superficies radiante : Absortancia de la superficie radiante

El calor radiante intercambiando por dos superficies es una interacción geométrica y de propiedad radiantes de las superficies:

1.2.4

- El mecanismo de la radiación el sol y la energía solar

1.2.5

: Factor de emisividad vinculado con las propiedades radiantes de las superficies: f(ε1, ε2).

: Factor de forma evalúa la interacción geométrica de las dos superficies en el espacio.

1

Figura: 1.2.1 Iteración geométrica de dos superficies en el espacio.

1.2.6

- Constante solar

La estimación de la energía solar que llega a la tierra tiene como herramienta básica las relaciones y consideraciones anteriores en base a las dimensiones del sol la tierra y la distancia

Figura: 1.2.2 EL Sol y la Tierra.

Teniendo como referencia esta propuesta espacial de la interacción radiante sol- tierra sabiendo que el sol esta 5770ºK y se comporta como un cuerpo negro la energía solar que llega a la tierra se evalúa:

1.2.7

2

Figura: 1.2.4 Desplazamiento angular del sol respecto al meridiano local.

El ángulo hora esta relacionado con la hora solar (H):

1.2.12

- Hora local (HLE) y hora solar (h)La hora solar H es la hora astronómica, especifica de cada lugar.La hora local estándar HLE es la hora ajustada al meridiano referencial de la zona.

1.2.13

1.2.14

1.2.15

- Coordenadas horizontalesEs el sistema referencial para evaluar el movimiento relativo del sol a través de parámetros angulares:

Figura: 1.2.5 Sistema referencial para evaluar el movimiento relativo del sol a través. de parámetros angulares.

1.2.16

3

1.2.17

- Coordenadas horizontalesConvenciones fundamentales:

Los valores de la latitud deberán ser negativos para el hemisferio sud.El azimut es negativo hacia el este y positivo hacia el oeste.Estas relacionadas son suficientes para hacer cálculos energéticos de la radiación solar.Si se quieren resultados que sirvan para la construcción de diagramas polares de trayectoria solar y cartas solares cilíndricas, la forma del azimut deberá tener más precisiones.El ángulo hora de entrada del sol para una sup. Horizontal:

1.2.18

Sabiendo que WHE=WHS, la duración astronómica del dia para una superficie horizontal HC:

1.2.19

- Trayectoria aparente del sol en nuestras latitudesTeniendo como referencia el sistema horizontal de coordenadas, la trayectoria aparente del sol respecto de este, para nuestro hemisferio será:

- Ajuste para el azimutPara graficar las trayectorias aparentes del sol el cálculo del azimut tiene los siguientes ajustes:

1.2.20

Sabiendo que:

1.2.21

Si ABS(cos(wew)) >1 — C1= - 1Si ABS(w)) < ó =wew — C1= - 1 si no C1=1Si (LAT-DEC) >ó=0 — C2= 1 si no C2= -1Si w>ó=0 — C3= 1 si no C3= -1

- Angulo de incidencia de la radiación directa en un plano inclinado (INC)Teniendo como base el sistema horizontal de referencia, es posible adicionar parámetros posiciónales para planos inclinados.

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Figura: 1.2.6. Parámetros posiciónales para planos inclinados.

- Angulo de incidencia de la radiación directa en un plano inclinado INC

Figura: 1.2.7. Angulo de incidencia de la radiación directa en un plano inclinado.

Cos(INC)=sin(DEC)sin(LAT)cos(y) - sin(DEC)cos(LAT)sin(y)cos(α)+Cos(DEC)cos(LAT)cos(y)cos(w)+cos(DEC)son(LAT)sin(y)cos(a)cos(w)

+cos(DEC)sin(y)sin(a)sin(w)

- Angulo de incidencia de la radiación directa en un plano inclinado (INC).El ángulo de horario de entrada y salida del sol par una superficie inclinada WE y WS sera:

1.2.22

1.2.23

1.2.24

1.2.25

Donde: 1.2.26

1.2.27

1.2.28

El ángulo de incidencia para una superficie horizontal (INCH):

1.2.29

- Radiación global sobre un plano horizontal (HHN)Este valor es consecuencia den la cuantificación del Fe consecuencia de la interacción de la radiación solar con nuestra atmosférica al atravesarla.

- Radiación global sobre un plano horizontal (HHN)Para la obtención de este valor fundamental en la cuantificación de la radiación solar existen dos alternativas:

La lectura directa a través de un piranómetro solarímétro, aspecto que todavía non es muy común en nuestro país.

El cálculo de este valor a través de un parámetro solarimétrico no muy explicito como es el número de horas sol HSD heliógrafos, pero que todavía es el dato más abundante en nuestro país.

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- Calculo de la radiación global diaria sobre un plano horizontal (HHN) a partir del número de horas sol (HSD)

Para esto se utilizará la correlación de ogelman:

1.2.30

HO es la radiación solar diaria sobre un plano horizontal extraterrestre considerando ya la esfericidad terrestre:

1.2.31

Este mismo termino evaluado como valor instantáneo (HO*)

1.2.32

- Calculo de la radiación diaria directa y difusa sobre un plano horizontalLas dos componentes de la radiación solar global diaria que llega a un plano horizontal son la radiación directa y la difusa cuyo cálculo se lo realiza a través de:

Índice de nubosidad K 1.2.33

Fracción difusa FD

1.2.34

Entonces la radiación diaria difusa sobre una sup. Horizontal:

1.2.35

Radiación diaria directa sobre una sup. Horizontal:

1.2.36

- Calculo de la radiación total diaria sobre una superficie inclinadaEl factor:

1.2.37

Se calcula:

6

- Calculo de la radiación total sobre una superficie inclinadaDe donde la radiación directa refleja y total diaria será:

1.2.38

1.2.39

1.2.40

Donde la total será: 1.2.41

- Calculo de la radiación total sobre una superficie inclinada

Donde los valores del coeficiente de reflectancia RF:

Tipo de suelo Coef.reflectanciaSuelo nevado 0.70

Suelo cubierto hojarasca 0.30Suelo de hierro verde 0.26Piedras blanquecinas 0.20

Suelos arecillas 0.17Agua 0.07

Tabla: 1.2.1. Coeficientes de Reflectancia.

- Calculo de la radiación solar instantánea sobre una superficieLa radiación solar global instantánea sobre una superficie IHN:

1.2.42

1.2.43

El índice de nubosidad instantánea 1.2.44

- Calculo de la radicación solar instantánea sobre una superficie horizontalEntonces la radiación diaria difusa instantánea sobre una sup. Horizontal

1.2.45

Y La radiación diaria directa instantánea sobre una sup. Horizontal:

1.2.46

- Calculo de la radiación solar instantánea sobre una superficie inclinada.

Se calcula el factor Rb instantáneo:

7

1.2.47

Por lo tanto las componentes de la radiación solar instantánea incidente en una superficie inclinada serán:

1.2.48

1.2.49

1.2.50

La radiación solar total instantánea sobre una superficie inclinada será:

1.2.51

2.- METODOLOGIA

En la prueba que se realizo se utilizo 3 litros de agua .

2.1.- EQUIPO, MATERIAL E INSTRUMENTOS

- Cocina sola sk 14- Olla de 4 litros.- 3 litros de agua.- Termómetro de inmersión.- Datos estimación petrológica.- Cronometro.

2.1.1. DESCRIPCION DEL EQUIPO, MATERIALES E INSTRUMENTOS

Nro. Descripción Cantidad Observaciones

1 Cocina solar sk14 1

2 Recipiente de agua 4 Ltrs. Olla

3 Medida de agua 3 Ltrs

Tabla: 2.1 Materiales y herramientas utilizados.

Nro

Características técnicas Cant. Observaciones

Descripcion Uni-

dad

Alcance mínimo

Alcance maximo

Sensi-bilidad

Incerti-dumbre

1 Termómetro de inmersion

°C

°F

-50

58

350

600

1 Uso común

2 Cronometro digital. Marca Casio fabricado en Japon

Hr

Min

S

0.01s 99Hr 0.01 s ±0.01s 1

Incluido un reloj común

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Tabla: 2.2 Instrumentos se medición.

2.2.- MONTAJE DEL EQUIPO

Figura: 2.2.1. Montaje del equipo experimental

2.3.- EJECUCION

El trabajo fue realizado en grupos en cercanías del laboratorio de maquinas térmicas

3.- REGISTRO DE DATOS

Toi=8.8ºC Tof=80ºC V=3ltTwi=6.2ºC

Tiempo (min) Temperatura (ºC) TEMPamb(°C)0 20.8 7.85 32.9 7.110 47.5 6.815 60.8 6.620 76.9 6.6

26.5 80 6.630 86.5 6.6

Tabla: 3.1 Datos de la prueba.

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5.- CONCLUSIONES

Podemos concluir que de los doce meses es decir para los 365 días del año se puede observar que en el mes de junio existe mayor radiación solar.

6.- BIBLIOGRAFIA

- Anuario Estadistico de la Industria electrica de Bolivia- www/Superintendencia de Electricidad/Bolivia/Energia Eléctrica Facturda.htm.- Faires Moring Virgil (1978) termodinamica Ediit Hispano Americano España.

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