medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

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Fund S damentos de Energía Solar Térmica SOLARIMETRÍA Emiliano Sierra CI 4230513-5 Nov. 2010

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Page 1: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

SOLARIMETRÍA

Fundamentos de Energía Solar Térmica

SOLARIMETRÍA

Emiliano Sierra

CI 4230513-5

Nov. 2010

Emiliano Sierra

Page 2: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

OBJETIVO

Estimar la irradiación global en plano inclinado a partir de medidas

de irradiación en plano horizontal utilizando dos métodos vistos en el

curso, modelo de irradiación difusa isotrópica y modelo HDKR.

Testear los resultados de ambos modelos con medidas de

irradiación en plano inclinado.

Page 3: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

FUNDAMENTO TEÓRICO

Radiación Solar

La radiación solar es la radiación electromagnética emitida por el Sol. Su comportamiento se aproxima al de un cuerpo negro a 6000 °K , así el 99% de la radiación emitida está entre 0,15 y 4 micras de longitud de onda. El fujo de radiación solar sobre una superficie horizontal terrestre depende de varios factores, los más relevantes son: latitud, época del año, momento del día y estado de la atmósfera. Debido a la presencia de la atmosfera distinguimos de la radiación global (G) incidente en cualquier superficie la fracción directa y difusa. G = Gb + Gd ; fd = Gd / G Definiciones A continuación presentamos un serie de definiciones y ecuaciones que nos permitirán abordar los cálculos posteriores. Constante solar Gsc, es el flujo medio de energía incidente sobre una superficie normal a la dirección Tierra–Sol sin atmósfera y ubicada a la distancia media Tierra-Sol. Distancia media Tierra-Sol ro, se denomina unidad astronómica, donde 1AU = 1,469 x 108 km. La distancia mínima es 0,983AU y la máxima 1,017AU. Factor de corrección de distancia Tierra-Sol ρ2

�� = � ����� = �1 + 0.033 cos ��� dn

��� ����

Donde dn corresponde al número del día juliano del año desde 1 hasta 365. (expresión simplificada, útil para cálculos ingenieriles) Irradiancia normal extraterrestre G0 = Gsc/ ρ

2

Declinación Solar δ, es el ángulo formado por el plano ecuatorial y el radio vector Tierra-Sol, varía entre -23,5° y 23,5°.

� = 23,45 sin !360365 #$% + 284'(

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Fundamentos de Energía Solar Térmica

Tiempo solar verdaderoTierra y el Sol y se mide con un reloj de sol Ecuación de tiempo (medido generalmente con un reloj) y el tiempo solar verdadero. Esta diferencia varía a lo largo del año.

TSV = Tiempo estándar + 4min ( Ls Ls : longitud del meridiano central del huso horarioLe : longitud local Posición relativa Tierra Para calcular la radiación solar sobre una superficie horizontal sobre la tierra es necesario escribir las relaciones trigonométricas entre la posición del sol en el cielo y las coordenadas sobre la tierra.

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Tiempo solar verdadero, es el tiempo dado por el movimiento diario de la Tierra y el Sol y se mide con un reloj de sol

Ecuación de tiempo Et, es la diferencia entre el tiempo solar medio (medido generalmente con un reloj) y el tiempo solar verdadero. Esta diferencia

TSV = Tiempo estándar + 4min ( Ls –Le) +Et

Ls : longitud del meridiano central del huso horario

ierra- Sol

Para calcular la radiación solar sobre una superficie horizontal sobre la tierra es las relaciones trigonométricas entre la posición del sol en el

cielo y las coordenadas sobre la tierra.

el movimiento diario de la

el tiempo solar medio (medido generalmente con un reloj) y el tiempo solar verdadero. Esta diferencia

Para calcular la radiación solar sobre una superficie horizontal sobre la tierra es las relaciones trigonométricas entre la posición del sol en el

Page 5: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Θz: ángulo cenital α : áltura solar ω: angulo horario ψ: azimut local φ: latitud geográfica cos )* = sin � sin + + cos � cos + cos ,

cos ψ = sin ∝ sin + + sin �cos / cos +

Irradiancia extraterrestre sobre PH: G0ph

0oPH = Gsc cos )*��

Indice de claridad: Kt Kt = GPH / G0 PH

Irradiancia en PI. Aquí aparecen dos variables más,

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Fundamentos de Energía Solar Térmica

β : ángulo entre el plano inclinado y el plano horizontal ϒ: ángulo de orientación azimutal del plano inclinado ϒ s: ángulo de azimut solar. cos ) = cos )* cos 4 + sin )* sin 4 cos#56 − 5'

89 = cos )cos )*

La irradiancia sobre un plano inclinado GPI se descompone en tres términos, directa Gb,PI, difusa Gd,PI y reflejada por el suelo Gr,PI. GPI = Gb,PI + Gd,PI +Gr,PI GbPI = Rb Gb PH Gr PI = ρg GPH (1-cosβ)/2 La irradiación difusa no es isotrópica, pero para su estimación se considera por un lado el modelo isotrópico de Liu y Jordan, por otro el modelo anisotrópico de Hay, Davis, Klucher, Reindl. Modelo Isotrópico Gd PI = Gd (1+ cosβ)/2 Modelo HDKR Ai = Gb PH / G0 PH

: = ;Gb G =

Gd PI = Gd ( Ai Rb + (1- Ai) x f sen3 (β/2) (1+cosβ )/2 )

Page 7: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Errores

Se utiliza el método de propagación de errores para establecer estos en

las magnitudes de medida indirecta.

> = :#?, 9, @'

∆> = B:B? ∆? + B:

B9 ∆9 + B:B@ ∆@

Se utiliza el coeficiente de correlación para evaluar las regresiones

lineales de dos variables aleatorias X e Y.

Page 8: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

PROCEDIMIENTO

Equipos utilizados

Piranómetro Delta T SPN1 capaz de medir simultáneamente

irradiación global y difusa. Este modelo utiliza siete sensores y una

pantalla de sombra, ordenados de manera tal que al menos un sensor

se encuentra siempre expuesto a irradiación directa y al menos uno

completamente bajo la sombra de la pantalla, independientemente de la

posición del sol. A partir de los valores registrados por los siete sensores

el microprocesador incorporado calcula la irradiación global y difusa.

Este equipo es nuevo y de baja precisión (8% de error)

Piranómetro KippZonnen CM3 (segunda clase 10% de error) en la

experiencia es utilizado para medir irradiación global en plano inclinado.

La irradiancia es censada mediante una termopila ubicada dentro del

domo de vidrio. Este equipo tiene cerca de 10 años.

Piranómetro KippZonnen CM6 (primera clase 5% de error) en la

experiencia es utilizado para calibrar los otros dos piranómetros. Censa

mediante su termopila, pero incrementa la performance debido a que

aumenta la masa térmica y a su doble cobertura de vidrio.

Data Logger SOLRAD utilizado para el equipo CM3,

almacenamiento en PC.

Data Logger diseñado y construido en el Instituto de eléctrica,

utilizado con equipo CM6, almacenamiento en memoria flash y PC.

Accesorios: Pc´s, conductores de datos y potencia, brújula, nivel,

mesas, plano inclinado.

Previamente a realizar la experiencia, se tomaron medidas de

irradiancia en plano horizontal simultáneamente con los tres equipos con

el fin de realizar la calibración de los piranómetros SPN1 y CM3 a partir

del CM6, que tiene mejor precisión que estos.

Procedimiento

El 5 de octubre de 2010 en la azotea del edificio central de la

Facultad de Ingeniería se procedió a realizar las medidas de irradiancia

con los tres piranómetros. A partir de los valores obtenidos se

Page 9: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

procesaron los datos y se obtuvieron las respectivas curvas de

calibración de los equipos SPN1 y CM3.

El 13 de octubre de 2010 se instalan los equipos en el sitio

elegido para realizar la experiencia (la azotea del edificio central de la

Facultad de Ingemiería).

El piranómetro SPN1 se coloca en una mesa nivelada para tomar

medidas de irradiancia global en plano horizontal y difusa.

El piranómetro CM3 se coloca sobre un plano inclinado a 35° orientado

hacia el norte.

Una vez puestos en funcionamiento se va chequeando cada 10 o 15

minutos que las medidas se estén registrando en los PC´s.

TRATAMIENTO DE DATOS

Calibración

Para procesar los registros de los equipos y poder compararlos se define

un tiempo de muestreo común. Se tomaron promedios cada diez

minutos en todos los equipos. A partir de estas muestras se realizan las

curvas de calibración correspondientes.

La siguiente grafica muestra la curva de calibración del equipo SPN1

con respecto al CM6.

El fabricante presenta la misma calibración para promedios horarios

obteniendo el siguiente resultado: C = 1.006 D R2 = 0.9986.

Page 10: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

y = 1,0408x

R² = 0,9955

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000

CALIBRACION

SPN1 vs CM6 W/m2

y = 0,9972x

R² = 0,9905

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

0 200 400 600 800 1000

CALIBRACION

CM3 vs CM6

Page 11: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Experiencia

La experiencia se realizó en un día que tuvo sus primeras horas con

algunas nubes para luego permanecer despejado, (ver índice de

claridad, 13-10). Se obtuvieron unos 170 minutos efectivos de medidas

simultáneas. Habiéndose perdido entre medio1 hora de registros por

problemas de comunicación, entre las15 y las16 (hora oficial).

Medidas

Para nuestra experiencia los tiempos de muestreo de los equipos fueron

los siguientes:

El equipo CM3 registró medidas cada 2 segundos.

El equipo SPN1 registró cada un minuto.

Se promediaron entonces valores cada un minuto y cada diez.

Observando los valores registrados cada un minuto de ambos equipos

(ver grafico), quedan manifiestas los diferentes tiempos de respuesta de

estos ante cambios bruscos de irradiación solar. Es por ello que

finalmente se toman promedios cada 10 minutos para el tratamiento de

datos de la experiencia.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

0 50 100 150 200

Indice de claridad (Kt) vs Tiempo (min)

Page 12: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Valores GPI medido y GPI HDKR (W/m2) vs Tiempo (min)

Se observa la gran dispersión de los valores en momentos de nubosidad

variable debido a los diferentes tiempos de respuesta de los equipos.

Cálculos

Las medidas registradas se corrigen por la calibración efectuada

previamente y se realizan los cálculos correspondientes.

Por un lado a partir de los registros de irradiación global y difusa en PH

(equipo SPN1) se calcula la irradiación correspondiente en PI según los

modelos Isotrópico y HDKR vistos en el curso. Estos valores se

comparan con los registros en PI medidos con el equipo CM3.

Se realiza entonces una regresión lineal para comparar los valores

obtenidos.

Parámetros utilizados en la experiencia:

β = 35° ρ = 0,75 dn = 286 δ = -8,86° φ = 35°

En la siguiente grafica se muestra la regresión lineal realizada a partir de

los valores promediados en 10 minutos, obtenidos del modelo Isotrópico

respecto a las medidas registradas en PI.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 20 40 60 80 100 120

Page 13: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

A continuación se muestra la regresión lineal obtenida con los resultados

del modelo HDKR y las medidas en PI.

y = 1,038x

R² = 0,9517

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200

GPI med vs G modHDKR (W/m2)

y = 1,0596x

R² = 0,9606

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200

GPI med vs Gmod Iso (W/m2)

Page 14: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

En la siguiente grafica se comparan los valores de radiación en

plano inclinado obtenidos con las medidas realizadas, los modelos

Isotrópico y HDKR y la radiación extraterrestre en función de la hora

oficial.

Radiación (W/m2) en función de T (hora oficial)

Hora

oficial GPI G PH Gdif Gb Fd R (PI/PH) cos (θ) β (rad) Rb

Go

(w/m2) Ai Kt

13:19 694 616 313 303 0,5 1,13 0,99 0,61 1,1 1235 0,25 0,5

13:29 822 753 350 404 0,5 1,09 0,99 0,61 1,1 1235 0,33 0,61

13:39 982 875 321 553 0,4 1,12 0,99 0,61 1,1 1230 0,45 0,71

13:49 555 545 295 250 0,5 1,02 0,98 0,61 1,1 1230 0,20 0,44

13:59 1008 851 285 566 0,3 1,19 0,98 0,61 1,1 1224 0,46 0,7

14:09 1095 926 148 778 0,2 1,18 0,97 0,61 1,1 1216 0,64 0,76

14:19 632 556 221 335 0,4 1,14 0,96 0,61 1,1 1205 0,28 0,46

14:29 1118 942 184 758 0,2 1,19 0,95 0,61 1,1 1193 0,64 0,79

14:39 1068 905 163 742 0,2 1,18 0,94 0,61 1,09 1179 0,63 0,77

14:49 1023 856 126 730 0,1 1,19 0,92 0,61 1,09 1162 0,63 0,74

14:59 1000 826 110 716 0,1 1,21 0,91 0,61 1,09 1144 0,63 0,72

15:09 899 752 112 640 0,1 1,20 0,89 0,61 1,09 1124 0,57 0,67

15:19 959 794 103 691 0,1 1,21 0,87 0,61 1,09 1102 0,63 0,72

16:16 811 658 102 556 0,2 1,23 0,73 0,61 1,06 941 0,59 0,7

16:26 783 628 102 526 0,2 1,25 0,70 0,61 1,06 908 0,58 0,69

16:36 751 600 108 493 0,2 1,25 0,67 0,61 1,05 872 0,56 0,69

16:46 711 565 114 451 0,2 1,26 0,63 0,61 1,04 836 0,54 0,68

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Gpi med Gm iso

Gm HDKR Go PH

Page 15: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Otra manera de analizar los resultados se obtiene calculando la

diferencia entre las medidas en PI con los resultados de los dos

modelos.

∆EFG8 = GPImed– GHDKRGPImed

∆OPQ = GPImed– Gm. isotrópicoGPImed

∆VW$XYW6 = GmHDKR– Gm. isotrópicoGm HDKR

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

Δ ISO

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

Δ HDKR

Page 16: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Promedios Horarios

GPI G ISO G HDKR Δ iso Δ hdkr

1 859 834 857 0,03 0,002

2 957 908 925 0,05 0,033

3 (30 min) 764 672 682 0,12 0,107

0,0%

0,5%

1,0%

1,5%

2,0%

2,5%

3,0%

3,5%

Δ Modelos %

Page 17: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Errores

Para el cálculo de errores se consideran las especificaciones

propias de los equipos y la propagación de estos en las ecuaciones

involucradas. En las regresiones se calcula el coeficiente de correlación

R2.

En las siguientes gráficas se muestran las regresiones lineales

obtenidas, con las barras de errores correspondientes a cada medida.

y = 1,0596x

R² = 0,9606

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

GPI med vs GmodIso (W/m2)

Page 18: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

En la siguiente tabla se muestran los valores de radiación obtenidos con

sus respectivos errores de medida.

Hora GPI (W/m2) GmodIso (W/m2) GmodHDKR (W/m

2)

13:19 690±70 660±80 680±80

13:29 820±80 820±90 840±100

13:39 1000±100 1000±100 1000±100

13:49 560±60 580±70 600±70

13:59 1000±100 900±100 1000±100

14:09 1100±100 1100±100 1100±100

14:19 630±60 610±80 620±80

14:29 1100±100 1100±100 1100±100

14:39 1100±100 1000±100 1000±100

14:49 1000±100 1000±100 1000±100

14:59 1000±100 1000±100 1000±100

15:09 900±90 900±100 900±100

y = 1,038x

R² = 0,9517

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

GPI med vs Gmod HDKR (W/m2)

Page 19: Medidas de irradiación sobre plano inclinado y comparación con

Fundamentos de Energía Solar Térmica

Hora GPI (W/m2) GmodIso (W/m

2) GmodHDKR (W/m

2)

15:19 1000±100 900±100 900±100

16:16 810±80 700±90 700±90

16:26 780±80 700±80 700±80

16:36 750±80 700±80 700±80

16:46 710±70 600±80 600±80

RESULTADOS FINALES Y CONCLUSIONES

• Calibración.

El equipo CM3 presentó una muy buena curva de calibración

considerando sus años de uso. y = 0,9972 x

El equipo SPN1 presentó una curva menos ajustada y = 1,041 x,

el fabricante presenta para promedios horarios y = 1,006 x

• Medidas

Se consideraron promedios de 10 minutos para evitar los errores

por tiempo de respuesta de los equipos.

• Modelos

Las estimaciones de irradiancia en plano inclinado de ambos

modelos se encuentran dentro del rango de errores de medida.

Ambos modelos subestiman la irradiancia en plano inclinado.

Solamente en un punto de medida de diecisiete el valor de

irradiancia dado por los modelos fue superior a la medida en

plano inclinado.

El modelo HDKR nos brinda estimaciones con menor

discrepancia que el modelo isotrópico respecto a las medidas

tomadas.

• Errores de medida

En la última hora de muestreo (luego de un intervalo extenso sin

muestras por problemas de comunicación entre los equipos) se

observa un escalón en la diferencia entre la irradiancia en plano

inclinado estimada por los modelos y la medida. Si bien no se

detectaron las causas del comportamiento sistemático, el mismo

está dentro de los márgenes de errores calculados.