“productividad de paneles solares...
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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A5a Energía solar fotovoltaica
“Productividad de paneles solares monocristalinos”
Palacios Rios Jesús Irama, Morales Benavides Arturo
a
aInstituto Tecnológico de Chihuahua,Ave. Tecnológico #2909 Col 10 de mayo, Chihuahua Chih. C.P.31310, México
*Autor contacto. [email protected]
R E S U M E N
El presente trabajo tiene la finalidad de dar a conocer cómo determinar la productividad de paneles solares
monocristalinos mediante la medición del voltaje, corriente y nivel de iluminación, y la modificación del ángulo de
inclinación y la orientación, hasta alcanzar la posición que genera la mayor cantidad de energía. Se consideraron los
factores que influyen en una buena medición y que definen la productividad de dichos paneles, como son: la latitud,
orientación y ángulo de inclinación. Para lograr esta valoración se diseñaron y fabricaron bases móviles adaptables
para los paneles que se tienen disponibles, las cuales permiten de manera fácil la manipulación de los mismos para
efectos de las mediciones en distintas condiciones. En relación a las mediciones, se toma en cuenta la hora solar pico,
que es el momento del día en el que el sol está en su punto más alto “dependiendo de la latitud” y por lo tanto la
radiación es mayor, lo que permite complementar el acimut que es el ángulo que genera el sol desde el polo norte.
Palabras Clave: Panel solar, monocristalino, voltaje, corriente, ángulo, acimut
A B S T R A C T
The present work tries to show how the productivity of monocrystalline solar panels can be determined by measuring the
voltage, current and level of illumination in different angles and positions that allow defining the orientation that
generates the greatest amount of energy. The importance of the factors that influence in a good measurement and the
factors that define the productivity of such panels, such as: latitude, orientation and angle of inclination were taken into
account. To achieve this assessment, adaptive mobile bases were designed and manufactured for the panels that are
available, which allow easy manipulation for the purposes of measurements under different conditions. In relation to the
measurements, the peak solar hour is taken into account, which is the time at which the sun is at its highest point
"depending on the latitude" and therefore the radiation is greater, which allows to complement the Azimuth which is the
angle generated by the sun from the north pole..
Keywords: Solar panels, monocrystalline, voltage, current, angle, azimuth.
1. Introducción
Gracias a la creciente necesidad de eficientar el uso de la
energía y la imperiosa demanda de atender los cambios
climáticos, surge el desarrollo e implementación de fuentes
de energías alternas a las que se generan con hidrocarburos.
Debido a lo anterior, para fortalecer las competencias
profesionales de estudiantes de ingeniería y conscientes
que en la actualidad se abren oportunidades profesionales
en estos temas, se desarrolla el presente trabajo en donde se
aplica la teoría de manera práctica para lo optimización en
la generación de energía solar mediante paneles
monocristalinos.
Se elige la energía solar debido al gran potencial identi-
ficado en nuestra localidad (Chihuahua, Chih. México), ya
que es el segundo estado de la república mexicana con
mayor incidencia solar y un atractivo recurso de
oportunidades que se está desarrollando.
2. Fundamentos
2.1 Celdas fotovoltaicas
Son dispositivos formados de material semiconductor,
normalmente de silicio, que son capaces de transformar la
radiación solar en energía eléctrica. Aunque el silicio es el
material más abundante en la tierra después del oxígeno ya
que se encuentra en casi todas las rocas, para la fabricación
de las celdas o células fotovoltaicas se necesita en su
forma cristalina y sin imperfecciones. El proceso para
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llevar al silicio a su forma cristalina es complejo y costoso.
[1]
Las células fotovoltaicas están compuestas por una
delgada capa de material tipo n (electrón libre) y otra de
mayor espesor de material tipo p (hueco disponible). En la
unión de estas capas se forma el campo eléctrico, además
se coloca un conductor externo que conecta la capa
negativa a la positiva, generándose así el flujo de
electrones o corriente eléctrica desde la zona p para la zona
n. La superficie de la zona n es la cara que se ilumina y
mientras siga siendo iluminada por la luz del sol habrá
corriente eléctrica y su intensidad será proporcional a la
cantidad de luz que reciba. [2]
Actualmente el material más utilizado es el silicio
mono-cristalino, que presenta características y duración en
el tiempo superiores a cualquier otro tipo de silicio:
Silicio mono-cristalino: rendimiento energético
hasta 15-17%
Silicio poli-cristalino: rendimiento energético
hasta 12-14%
Silicio amorfo: rendimiento energético menos del
10%.[3,4]
Si se observa un panel solar, en la parte posterior se
puede ver una placa que muestra la clasificación del panel,
esta clasificación se basa en la máxima potencia del
equipo.
Para medir la potencia de un panel solar se debe tomar
en cuenta que éste no se encuentra conectado a ningún
equipo que demande energía, además de que se mide en
una hora solar pico (la cual se presenta a las 12 del día
aproximadamente).
Para poder determinar la eficiencia solar de una celda se
deben considerar las siguientes ecs. (1) y (2)
AG
IscVocFF (1)
n=Eficiencia del panel solar
A= Área de la superficie
G= Irradiación(W/m2) [2]
Factor de forma o factor de llenado
IscVoc
pVmpFF
Im (2)
FF: Factor de forma
Vmp: Voltaje a máximo poder
Imp: Corriente a máximo poder
Voc: Voltaje en circuito abierto
Isc: Corriente en corto circuito[5,6]
2.2 Hora solar Pico
La radiación que sale del sol no es idéntica a la que llega a
la superficie de la tierra, debido a que ésta atraviesa la
atmosfera terrestre. La cantidad de radiación absorbida o
dispersada depende de la trayectoria óptica de la radiación
a través de la atmosfera.
En condiciones de un día totalmente claro y con rayos
del sol orientados perpendicularmente al panel fotovoltaico
se aprovecha más de las tres cuartas partes de su valor Fig.
(1). El resto se refleja en la atmosfera siendo las nubes, los
vapores de agua, el ozono y los otros gases.
Figura 1 - Irradiación solar en la sección de los paneles solares
(Sebastian, 2011)
Ubicando el sol en el punto más alto, a medio día solar,
la radiación es mucho mayor y con distinta calidad
espectral que cuando está cerca del horizonte. Este
momento es la Hora Solar Pico (HSP).
Se consideran tres los factores que afectan la cantidad
de radiación solar
Geográficos
Latitud
Exposición
Inclinación del suelo
Atmosféricos
Atmosfera (nubosidad)
Partículas en suspensión (naturales y
antrópicas)
Otros
Estación del año
Hora del día. [7]
Figura 2- Hora solar pico en principales ciudades de américa
(Sebastian, 2011)
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2.3 Medio día solar
El Medio día Solar ocurre cada día cuando el Sol está en su
punto más alto en el cielo. Esto sucede cuando el Sol cruza
el Meridiano Celeste. Para determinar cuándo ocurre el
Mediodía Solar en el lugar donde de desean realizar las
mediciones se requiere saber la siguiente información:
La Latitud y Longitud del lugar de mediciones
Las fechas en las que se harán las mediciones
La zona horaria (o huso horario), incluyendo la
información respecto al hecho que esté en
vigencia el horario de invierno o de verano. [8,9]
Algunas veces se cree que la productividad de un panel
solar depende de la calidad y precio del panel, sin embargo
hay otros factores que pueden afectar el modo en que
aprovechamos la energía solar.
Los horarios, distribución, calor, orientación, ubicación,
y otros factores afectan identificar cómo varía el sol y la
energía que nos ofrece. Siendo éste campo de trabajo
relativamente reciente, aún existen lagunas de
conocimiento, dando lugar a accidentes, malos cálculos o
instalaciones mal hechas, que después requieren ser
corregidas. De ahí la importancia de aprender lo suficiente
sobre la trayectoria del sol día a día y en su desplazamiento
a lo largo del año.
Algunos de los errores consisten en que se instala un
módulo o un panel solar pero al avanzar las estaciones le
empiezan a llegar sombras que no le alcanzaban cuando se
instaló.
Es claro que los sistemas fotovoltaicos dependen del sol
como primer y más importante factor, una orientación bien
hecha no sólo es más agradable estéticamente sino que
implica un ahorro económico, pues se aprovecha cada watt
de panel por el que se pagó el precio. [10]
El ángulo de inclinación óptimo de las superficies
captadoras de un sistema solar está determinado por
muchos factores, entre ellos la radiación incidente en el
lugar donde va situada la instalación, y el cielo solar, donde
influye la sombra de objetos que no pueden ser eliminados,
como edificios, montañas, etc. Además, las características
de la instalación, o sea, si es única o híbrida, autónoma o
acoplada a la red y el objetivo de la instalación, lo que
define el régimen de uso y de consumo. En todo caso, la
optimización de un sistema solar está dada por el factor
económico de la instalación en su conjunto y no por la
eficiencia óptima de una de las partes.
Entre los métodos propuestos se obtiene una expresión
para determinar el ángulo óptimo para un colector teniendo
en cuenta la radiación directa y difusa separadamente.
También se considera la variación de la trasmisividad de
una cubierta de vidrio con el ángulo de incidencia. [11]
SenLSenCosCosLCosCos (3)
Dónde:
ϴ: Ángulo de incidencia formado por la normal a la
superficie y el rayo incidencia de ella.
L: Latitud del punto de la superficie terrestre considerado,
el cual es el ángulo que forma el radio terrestre que pasa
por dicho punto con el ecuador. Esta comprendido entre:
-90° = L = 90°.
: Ángulo de inclinación
: Ángulo horario
δ: Declinación
365
28436045.23
nSen (4)
Donde n es el número de días a partir del 1 de enero hasta
la fecha indicada. [6]
Figura 3- Ángulos de posicionamiento respecto al sol
(SunFields, 2017) Donde:
α: Altura del sol
Ψ: Acimut del sol
ϒ: Acimut del panel [2,12]
La radiación total sobre una superficie inclinada a partir
de la radiación horizontal considerando períodos
relativamente cortos, por ejemplo de una hora, se obtiene
de:
2
1
2
1 Cos
I HdI HD
Cos
I HdRDI HDI
(5)
I : Radiación total sobre una superficie inclinada (J/m
2s)
I HD: Componente directa de la radiación sobre el plano
horizontal. (J/m2s)
I Hd: Componente difusa de la radiación solar sobre el
plano horizontal. (J/m2s)
RD : Relación entre la componente directa de la radiación
solar sobre una superficie inclinada y la radiación directa
sobre una superficie horizontal. (J/m2s)
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: Reflexividad del suelo. [11]
2.4 Cálculo de la radiación solar total en la superficie
inclinada (HT)
Todos los valores de radiación se miden en MJ / m2 / día.
La radiación total incidente sobre la superficie inclinada
puede definirse como
HRHDHBHT (6)
2.4.1 Incidencia directa de la radiación en una superficie
inclinada (HB)
RbHdHgHB (7)
Donde Hg y Hd son respectivamente la radiación global
diaria y difusa promedio en una superficie horizontal en
(MJ / m2 / día). Rb es la relación de la radiación de haz
promedio diaria en una superficie inclinada a la de una
superficie horizontal.
SinradSinSinCosCos
SinradSinSinCosCosRb
(8)
Donde , son el ángulo de inclinación, la latitud del
sitio, el ángulo de la declinación (δ) y el del ángulo de la
hora ( ) respectivamente.
Fórmula de ángulo de declinación como se muestra en la
ecuación 4. [13,14]
2.4.2 Incidencia de radiación difusa en una superficie
inclinada (HD)
RdHdHD (9)
Rd es la relación de la radiación difusa diaria media sobre
una superficie inclinada a la de una superficie horizontal.
Se determina sobre la base de la distribución de la
radiación difusa del cielo sobre el hemisferio. Suponiendo
que la radiación difusa del cielo sea isotrópica Rd se puede
calcular con la siguiente fórmula.
2
1 CosRb
(10)
2.4.3 Radiación reflejada en una superficie inclinada
(HR)
Radiación reflejada sin reflectores alrededor de los paneles
solares.
2
1
CosHgHRGround
(11)
Donde p es la reflectividad solar de la tierra. [13]
2.5 Hemisferio y latitud
Figura 4.- Hemisferio y latitud en el continente americano
(Peru, 2015)
2.5.1 Coordenadas geográficas de Chihuahua, México
Latitud: 28°38′07″ N
Longitud: 106°05′20″ O
Altitud sobre el nivel del mar: 1437 m. [15]
2.6 Chihuahua es líder potencial para producción de
energía solar
8.9kWh/m2 La radiación solar en chihuahua, hace que sea
un lugar ideal para la energía solar fotovoltaica.
La manera de colocar estos paneles es en forma diagonal
para que en invierno succione más la radiación debido a
que en invierno la radiación solar no es tan fuerte. [16]
2.7 Orientación relativa del panel solar
Los paneles podrá estar situados en dirección sur o norte y
la inclinación óptima dependerá de la latitud del lugar, de
la época del año en que se quiere utilizar y de si dispone o
no de un grupo electrógeno propio.
Teniendo en cuenta que en alguna ocasión no es posible
alcanzar las condiciones de inclinación y orientación
adecuadas, habrá que evaluar, en todo caso, las pérdidas de
radiación incidente debido a los condicionantes de
ubicación.
Para conseguir, de manera sencilla, el aprovechamiento
del sol como recurso energético, es imprescindible el
conocimiento de la trayectoria solar, el perfil de las
necesidades y de los condicionantes de la ubicación. Todo
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ello conlleva a determinar la orientación y la inclinación de
los paneles en instalaciones fijas para conseguir el mínimo
coste del kilovatio hora solar. [17]
Figura 5.- Posición y orientación esquemática de un panel solar
(solar, 2016)
Las posiciones del sol al amanecer, medio día y al
atardecer en las estaciones y en los hemisferios son de
importancia y se deben tener en cuenta para aprovechar el
máximo de energía en el panel solar fotovoltaico. [17]
2.7.1 Angulo de inclinación del panel solar con el eje
horizontal de la tierra
El panel solar se debe instalar con un ángulo de inclinación
respecto de la horizontal en el terreno, igual al valor de la
latitud en ese mismo lugar. Como una recomendación y no
como una regla fija en invierno, los módulos deben de estar
en el ángulo de la latitud al cual se le sumaran
aproximadamente 10 grados y en verano, la latitud
restándole 10 grados respecto a la latitud. [18]
2.7.2 Los ángulos de orientación de los rayos solares
La energía acumulada en un panel solar durante un tiempo
determinado (día, mes, año) define el concepto de
insolación. Esta es la energía disponible para su uso en
alguna aplicación específica.
Un panel solar instalado en el hemisferio norte del
planeta deberá colocarse mirando hacia el sur y un panel
solar instalado en el hemisferio sur se deberá colocar
mirando al norte. [18,9]
2.7.3 Acimut
Figura 6.- Acimut y elevación
(PhotoPill, 2017)
El azimut y la elevación Figs. 6 y 7, son las dos
coordenadas que definen la posición de un cuerpo celeste
(sol, luna) en el cielo cuando es observado desde una
localización concreta, en un momento determinado. [19]
Figura 7.- Mapa representando los azimuts: 0º, 90º, 180º y 270º. [2]
(PhotoPill, 2017)
2.8 Factores que afectan la productividad de un panel
solar
• Si el panel está expuesto a cualquier tipo de sombra su
productividad disminuye.
• La potencia de un panel solar es mayor cuando el panel
no está conectado a ningún equipo eléctrico.
• La cantidad de radiación a la que está expuesta el panel
varía dependiendo de la temporada del año.
• La energía que produce un panel solar varía dependiendo
de la hora del día y de la cantidad de luz solar que reciba.
Tomando en cuenta estos factores, la verdadera
productividad de un panel solar es considerablemente
menor a la que se establece en su clasificación. [20]
2.9 Mapa de radiación Solar en el Mundo
El mapa en Fig. 8 es muy importante por dos cosas;
primero, porque nos muestra en que parte del mundo se
puede aprovechar mejor la energía solar; y segundo,
porque si la estudiamos un poquito podemos ver que la
energía solar tiene un potencial más grande del que nos
imaginamos. [2,21]
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Figura 8.- Mapa de radiación solar en el mundo
(AMBIENTE, 2010 )
3. Material y métodos
Con la finalidad de contar con la posibilidad de aplicar los
aspectos técnicos teóricos antes mencionados realizando
pruebas para valorar el aprovechamiento de paneles
solares, se diseñaron y fabricaron unas bases en las que se
pudieran adaptar los paneles solares con los que se cuenta y
que estos permitan la maniobrabilidad necesaria Fig. 9.
Estas bases se fabricaron con tubos cuadrados de acero
comercial de 1in, tubo PTR de 1 ½” X 1” y unos soportes
que detienen los paneles que se encuentran soldados y que
permiten ajustar la inclinación del soporte a diferentes
ángulos dentro de un rango de 0°, a 70°, también cuenta
con unas llantas en la parte inferior que permiten el fácil
deslizamiento del panel para orientarlo según convenga en
ese momento sin la necesidad de quitar los paneles de la
base.
Figura 9.- Base fabricada para mediciones del panel solar
La mediciones en dichos paneles se realizaron dentro de
las instalaciones del Instituto Tecnológico de Chihuahua
con apoyo de la Unidad de Desarrollo y Aplicación de
Proyectos (UDAP), se localizó un área tomando en cuenta
las recomendaciones y aspectos técnicos necesarios ya que
algunos espacios no eran adecuados debido a las sombras
que proporcionaban los edificios sobre todo a la hora solar
pico por lo que se estuvo reubicando hasta que se definió
el mejor lugar que se encuentra detrás del taller de
eléctrica–electrónica en una cancha de básquetbol donde el
sol pega directamente a los paneles dentro del periodo
necesario. Con base a investigaciones realizadas
previamente, donde se indicaron las posiciones y ángulos
que son óptimos utilizar por nuestra zona geográfica, se
eligieron los ángulos de 0, 20 y 40° para hacer pruebas y
tomando como base las posiciones sur, sur este y sur oeste
podemos determinar diversos valores que permitieron
observar el valor de la corriente, voltaje y nivel de
iluminación, donde se puede apreciar que los valores de
voltaje y corriente se elevan cuando se tiene una
inclinación de 40°. Para las mediciones se utilizaron tres
paneles solares con distintas dimensiones y datos de placa
como se muestran en las siguientes tablas.
Tabla 1 – Datos de placa del panel 2.
Tabla 2 – Datos de placa del panel 4.
Electrical Ratings
(Características eléctricas)
Peak power (Potencia nominal) Pmp 135 W
Maximum Peak power
(Potencia máxima)
Pmp Max
141.7
W
Minimum Peak power
(Potencia mínima)
Pmp Min
128.2
W
Voltage at Peak power
(Voltaje a plena carga)
Vmp
18.6
V
Current at Peak power
(Corriente a plena carga)
Imp
7.3
A
Open circuit Voltage
(Voltaje a circuito abierto)
Voc
22.2
V
Short Circuit Current
(Corriente en corto circuito)
Isc
7.7
A
Electrical Ratings
(Características eléctricas)
Peak power (Potencia nominal) Pmp 250 W
Voltage at Peak power
(Voltaje a plena carga)
Vmp 31.73 V
Current at Peak power
(Corriente a plena carga)
Imp 7.88 A
Open circuit Voltage
(Voltaje a circuito abierto )
Voc 37.58 V
Short Circuit Current
(Corriente en corto circuito )
Isc 8.49 A
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Tabla 3 – Datos de placa del panel 6.
4. Resultados
De acuerdo con lo expresado en Material y Método se
muestran los resultados que se obtuvieron en tres diferentes
paneles solares monocristalinos de distintas dimensiones
cada uno, estos fueron probados con tres inclinaciones y
tres orientaciones respectivamente como lo muestran las
Figs. 10, 11 y 12.
Figura 10.- Mediciones en panel solar monocristalino de longitud
1.47m x .66m
Figura 11.- Mediciones en panel solar monocristalino de longitud
1.66m x .99m
Figura 12.- Mediciones en panel solar monocristalino flexible
de longitud 1.17m x .54m
Electrical Ratings
(Características eléctricas)
Reater Maximum Power
(Potencia nominal)
Pmax 120 W
Voltage at Peak power
(Voltaje a plena carga)
Vmp 18 V
Current at Peak power
(Corriente a plena carga)
Imp 6.7 A
Open circuit Voltage
(Voltaje a circuito abierto)
Voc 23 V
Short Circuit Current
(Corriente en corto circuito)
Isc 5.52 A
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Para poder calcular el momento del medio día solar se
utilizó la página web llamada NOAA Improved
Sunrise/Sunset Calculator, dentro de la cual, primeramente
se localizó la ciudad México City, México, se agregó como
fecha de cálculo el 10 de abril del 2017 debido a que fue la
fecha en la que se realizó el cálculo y por medio de la
latitud y longitud se ubicó la ciudad de Chihuahua para así
determinar la hora correspondiente al medio día solar, Los
valores calculados se muestran a continuación: Fig. 13.
Figura 13.- Calculo del medio día solar
Para determinar la mejor orientación de los paneles
solares se utilizó una aplicación gratuita para dispositivos
móviles android disponible para descargar en Play Store
llamada “LunaSolCalMovil”, y permite calcular Acimut,
altitud, declinación entre otros más datos.
Figura 14.- Angulo de acimut en la hora solar pico en Cd.
Chihuahua
Para determinar el acimut se esperó a la hora obtenida
como medio día solar óptimo, 12:23 pm y en ese momento
la aplicación muestra varias líneas Fig. 14, en donde la
línea azul define el ángulo de acimut que es 148.4°, la línea
amarilla muestra el acimut a las 6:28am al amanecer, la
línea roja comprende al acimut en la puesta del sol.
4. Conclusión
Para el estado de Chihuahua con base a lo recomendado
anteriormente y en lo investigado sobre la productividad de
un panel solar se recomienda situarlo en dirección sur
debido a que la ubicación se encuentra en el hemisferio
norte y para la inclinación, tomando en cuenta la latitud de
Chihuahua que es de 28°, se recomienda utilizar un ángulo
de 18° en verano y de 38° en invierno y para el resto del
año el ángulo de la latitud de la zona.
Para la orientación ideal del panel solar se determinó
que esta deberá ser de 148.4° a partir del hemisferio norte,
guiándose por el azimut determinado a las 12:24 pm ya que
a esa hora el sol se encuentra en su punto más alto y el
panel orientado a ese ángulo quedaría perpendicular al sol
entonces el panel captaría la mayor radiación solar del día
y su aprovechamiento será el más óptimo.
Como se observa en las Figs. 10,11 y 12 en los datos
marcados, se puede observar que los valores de corriente,
voltaje y nivel de iluminación obtenidos en el periodo de
12:00 a 12:30pm y orientado al sur-este muestran como
resultado una mayor productividad ya que sus valores son
más altos, esto se debe a que en la posición sur este que
tiene un ángulo de acimut de 135° es cercano al ángulo
determinado de 148.4°. Además el periodo de tiempo se
encuentra en el rango calculado como el medio día solar
óptimo y respecto al ángulo de inclinación las mediciones a
20° y 40° dan buena productividad ya que el ángulo ideal
para esas fechas es de 28° y este se encuentra entre los dos
valores utilizados.
Agradecimientos
Se agradece a la UDAP por el apoyo y préstamo de los
paneles solares y del equipo para realizar las mediciones,
también se agradece a los alumnos que integran la sección
estudiantil ASME-SOMIM por colaborar con las
mediciones y obtención de datos de dichos paneles y
además, se agradece a los profesores por los consejos que
han ayudado para realizar la presente investigación.
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