TRABAJO GEOMETRÍA SOLAR

MAESTRÍA EN ENERGÍAS RENOVABLES

RADIACIÓN Y GEOMETRÍA SOLAR

Sangolquí, 22 de noviembre 2012

DETERMINACIÓN DEL RECURSO SOLAR PARA APLICACIÓN TÉRMICA Y FOTOVOLTAICA PARA UNA VIVIENDA

UNIFAMILIAR DEL CONJUNTO RESIDENCIAL CIUDAD JARDÍN


DETERMINACIÓN DEL RECURSO SOLAR

1 ANTECEDENTES

El sol es una fuente muy poderosa de energía. Sin luz y calor, la vida humana en nuestro planeta no sería posible.

La tierra recibe anualmente 1,5 x 10E18 kwh de energía solar lo que corresponde a 10000 veces el consumo mundial de energía en ese período. Este hecho indica que además de ser responsable por la manutención de vida en la tierra, la radiación solar constituye una inagotable fuente energética, habiendo un enorme potencial de utilización por medio de sistemas de captación y conversión en otra forma de energía (térmica, electricidad,...etc.)

Si se observan los mapas de radiación solar mundiales, se puede constatar que Ecuador es un lugar privilegiado en cantidad de energía recibida proveniente del sol. La gama de longitudes de onda que se aprovecha está comprendida entre 0,3 μm y 3,0 μm, que es una franja de radiación considerablemente más pequeña que la de la radiación emitida por la mayoría de las superficies que absorben energía.

Con estos antecedentes, se pretende aprovechar el recurso solar para el dimensionamiento de un sistema de calentamiento de agua por medio de colectores solares planos y la generación de electricidad a través de la instalación de paneles solares para una vivienda unifamiliar ubicada en el Conjunto Residencial Ciudad Jardín.

El Conjunto Residencial Ciudad Jardín es concebido e inspirado en modelos y estándares innovadores y actuales, rodeados por 170 hectáreas de área verde del Parque Metropolitano del Sur, siendo el proyecto residencial más emblemático de la Ciudad de Quito.

Con esto se pretende impulsar el uso de fuentes de energías renovables y potencializar la imagen del proyecto residencial, implementado sistemas modernos de eficiencia energética.

2 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA

El desarrollo del presente proyecto se basa en la decisión de aprovechar, en lo posible, la energía irradiada por el sol, contribuyendo de esta manera con el cambio de la matriz energética impulsada por el Ministerio de Electricidad y Energías Renovables en los últimos años y a su vez reduciendo el daño que ocasionamos a la atmósfera con el uso de combustibles fósiles.

La ubicación privilegiada del Proyecto Residencial Ciudad Jardín, permite a los habitantes del mismo gozar de un ambiente singular de paz, tranquilidad y aire puro; sin embargo, el uso de nuevas tecnologías que permitan el desarrollo de proyectos verdes no ha sido considerado en su diseño, razón por la cual se pretende potencializar la imagen del Proyecto Residencial mediante la implementación de colectores solares planos o a su vez la generación de electricidad por medio de paneles solares, para una vivienda unifamiliar.

3 OBJETIVO GENERAL

Determinar el método de cálculo mejor aproximado para la determinación de la radiación solar sobre plano inclinado.

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Determinar la orientación de los módulos solares que nos van a permitir extraer la máxima cantidad de energía posible.

Determinar la cantidad de energía que puede ser aprovechada en un colector solar de placa plana o a su vez por una instalación fotovoltaica.

Realizar el cálculo para el dimensionamiento simplificado de una instalación centralizado que cubra las necesidades de calentamiento de agua y generación de energía eléctrica, tal que abastezca a una familia de tres integrantes.

4 MARCO TEÓRICO

El estudio de la radiación solar, que es la fuente de energía directa de los sistemas térmicos y fotovoltaicos, y la predicción de la cantidad de ella que incidirá sobre una superficie arbitrariamente orientada es de claro interés en el desarrollo de este trabajo.

En este sentido, el análisis de la alternativa óptima considera el estudio de radiación solar sobre superficie inclinada por los siguientes métodos:

Análisis de radiación solar sobre superficie horizontal, base de datos Página Web NASA. Análisis de radiación solar sobre superficie horizontal, base de datos Software ISOCAD. Análisis de radiación solar sobre superficie horizontal, base de datos Software ISOL. Análisis de radiación solar sobre superficie horizontal, base de datos Software CENSOLAR. Análisis de radiación solar sobre superficie horizontal, mapa irradiación solar global INAMHI. Análisis de radiación solar Método de Angstrom – Page.

4.1 Base de Datos Página Web NASA

Este método requiere, en primera instancia, la definición de la ubicación de la instalación. Esta se realiza por medio de coordenadas geograficas con valores de latitud y longitud. El caso de estudio considera las coordenadas mostradas en la Figura 1.

Figura 1 Ubicación de la Instalación




Luego se accede al siguiente link: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/ , donde se ingresa las siguientes coordenadas:

Latitud: −0.326°

Longitud: −78.53°

Figura 2 Base de datos Página Web NASA


http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/



Los datos proporcionados por la página web de NASA corresponden a valores de radiación solar sobre superficie horizontal en [kWh /m2d ], ver Figura 2. Mediante el empleo de la Ecuación 1 se determina la Irradiación Global con una Inclinación β del panel.

Gdm (β )=A ×Gdm (0 )+B× (Gdm (β ) )2

Ecuación 1 Irradiación Global con Inclinación de Panel

Para el efecto, se realizó un análisis de sensibilidad, ver Figura 3, para determinar el ángulo de inclinación óptimo, el cual consideró la ubicación del proyecto (latitud Φ) y el ángulo de inclinación del panel (β).

Figura 3 Ejemplo Análisis de Sensibilidad

4.2 Base de Datos Software ISOCAD

Este método requiere la definición de la ubicación de la instalación. Esta se realiza por medio de la selección del PAÍS y CIUDAD.

Los datos proporcionados por el software ISOCAD corresponden a valores de radiación diaria media mensual sobre superficie horizontal en [kWh /m2d ], ver Figura 4.

Mediante el empleo de la Ecuación 1 se determina la Irradiación Global con una Inclinación β del panel.

Del mismo modo, se realizó un análisis de sensibilidad, ver Figura 3, para determinar el ángulo de inclinación óptimo, el cual consideró la ubicación del proyecto (latitudΦ) y el ángulo de inclinación del panel (β).




Figura 4 Base de Datos Software ISOCAD

4.3 Base de Datos Software ISOL

Este método requiere la definición de las siguientes variables, ver Figura 5:

Latitud Hemisferio sur negativo. Mes 1 a 12. Día Día característico por mes, ver Tabla 1. Azimut (Orientación) Norte 0°,

Este 90°,Sur 180°,Oeste 270°.

Pendiente (Inclinación) Horizontal 0°,Vertical 90°.

Albedo (Ref. del suelo) Valor normal 0.2 20%Sin reflexión 0Nieve Fresco 0.8 80%

Claridad de la atmósfera Atmosfera seca sin polvo 0.74Sin atmósfera 1.00

Número de vidrios Sin vidrio 0Vidrio simple 1Vidrio doble 2

Los datos proporcionados por el software ISOCAD corresponden a valores de radiación diaria media mensual sobre superficie horizontal en [MJ /m2d ], ver Figura 6.





Del mismo modo, se realizó un análisis de sensibilidad, ver Figura 3, para determinar el ángulo de inclinación óptimo, el cual consideró la ubicación del proyecto (latitud Φ) y el ángulo de inclinación del panel (β).

Figura 5 Configuración Software ISOL

DÍA CARACTERÍSTICO

1 Enero 172 Febrero 153 Marzo 164 Abril 155 Mayo 156 Junio 107 Julio 178 Agosto 179 Septiembre 16

10 Octubre 1611 Noviembre 1512 Diciembre 11

MES

Tabla 1 Día Característico por Mes

ENERO FEBRERO MARZODía 17 Día 15 Día 16




ABRIL MAYO JUNIODía 15 Día 15 Día 10

JULIO AGOSTO SEPTIEMBREDía 17 Día 17 Día 16

OCTUBRE NOVIEMBRE DICIEMBREDía 16 Día 15 Día 11




Figura 6 Base de Datos Software ISOL

4.4 Base de Datos Software CENSOLAR

Este método requiere la definición de la ubicación de la instalación. Esta se realiza por medio de la selección del PAÍS y CIUDAD.

Los datos proporcionados por el software ISOCAD corresponden a valores de radiación diaria media mensual sobre superficie horizontal en [kWh /m2 ] y [MJ /m2 ], ver Figura 7.


Del mismo modo, se realizó un análisis de sensibilidad, ver Figura 3, para determinar el ángulo de inclinación óptimo, el cual consideró la ubicación del proyecto (latitud Φ) y el ángulo de inclinación del panel (β).




Figura 7 Base de Datos Software CENSOLAR




4.5 Base de Datos mapa irradiación solar global INAMHI

Este método considera la ubicación estimada de la instalación y la asignación de una valor de irradiación promedio diario multianual en [kWh /m2 ], ver Figura 8.


Del mismo modo, se realizó un análisis de sensibilidad, ver Figura 3, para determinar el ángulo de inclinación óptimo, el cual consideró la ubicación del proyecto (latitudΦ) y el ángulo de inclinación del panel (β).

Figura 8 Mapa de Irradiación Solar INAMHI

4.6 Método de Angstrom – Page

Este método requiere, en primera instancia, la definición de las siguientes variables:

Latitud, Ángulo de inclinación de la instalación β, considerando que instalaciones en el hemisferio norte

son positivas e instalaciones en el hemisferio sur son negativas, Factores climáticos, Sierra a = 0.25

b = 0.45Costa a = 0.28

b = 0.54 Factor de albedo.




Finalmente se desarrolla una simulación en Adobe Flash denominada “”, la cual nos permite visualizar de forma intuitiva el número de colectores solares planos o el número de paneles solares, los cuales dependen del número de personas o del consumo mensual aproximado de energía eléctrica respectivamente, así como también de los datos de radiación solar que a su vez consideran el mejor ángulo de inclinación de la instalación y el mes crítico.

5 ANÁLISIS DEL RECURSO

6 RESULTADOS Y DISCUSIÓN

7 CONCLUSIONES

8 RECOMENDACIONES

9 BIBLIOGRAFÍA




ANEXOS




Gdm (β )=A ×Gdm (0 )+B× (Gdm (β ) )2


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