1-. Potencial solar de una zona

La irradiación solar media de una determinada región la hace más o llenos idónea para ubicar en ella instalaciones solares de aprovechamiento Energético.

El aprovechamiento de la energía solar está condicionado

principalmente por dos aspectos: de la intensidad de la irradiación solar recibida por la Tierra, la que a su vez depende de los ciclos diarios y anuales y de la latitud del lugar de aplicación sobre la superficie terrestre; y de las condiciones climatológicas y meteorológicas imperantes.

Para el aprovechamiento de la irradiación solar como fuente

de energía, requiere del conocimiento de la cantidad y distribución de la irradiación solar que incide en un lugar determinado y de su variación temporal a lo largo de los ciclos anual y diario.

La irradiación solar que incide sobre una región

determinada se suele representar en mapas mensuales y anuales de irradiación solar. El procedimiento más comúnmente usado para la confección de estos mapas es mediante la interpolación-extrapolación de series temporales de medidas de radiación solar en superficie, realizadas mediante piranómetros en puntos geográficos específicos.

Mediante la utilización de estos mapas se evalúa la viabilidad (o no viabilidad) de instalaciones particulares de captación de energía solar (térmica o fotovoltaica). Incluso se llega al nivel de catalogar zonas como susceptibles (o no) a la denominada "explotación solar". Como ejemplo, se presenta la figura donde se muestra el mapa de viabilidad de instalaciones de captación de energía solar fotovoltaico elaborado por la UE. 2-. Proyecciones cartográficas

La proyección cartográfica es un sistema de representación

gráfico que establece una relación entre los puntos de la superficie curva de la Tierra y los de una superficie plana (mapa). Estos puntos se localizan auxiliándose en una red de meridianos y paralelos, en forma de malla. La única forma de evitar las distorsiones de esta proyección sería usando un mapa esférico pero, en la mayoría de los casos, sería demasiado grande para que resultase útil.

En un sistema de coordenadas proyectadas, los puntos se identifican por las coordenadas x, y obtenidas matemáticamente a partir de las coordenadas geográficas (longitud y latitud), en una malla cuyo origen depende del sistema de proyección elegido. Las representaciones planas de la esfera terrestre se llaman mapas. 3. Tipos de proyecciones cartográficas 3. 1. Clasificaciones

Se establecen clasificaciones en función de diferentes propiedades: el tipo de superficie sobre la que se realiza la proyección, la propiedad que se conserve respecto a la realidad y del punto que se considere como centro del mapa.

● Respecto al tipo de superficie sobre la que se realiza la

proyección distinguimos entre:

− Azimutal: un plano. − Cilíndrica: un cilindro. − Cónica: un cono. Distinguimos la disposición relativa entre la superficie

terrestre y la superficie de proyección (plano, cilindro o cono) pudiendo ser tangente, secante u oblicua.

●Respecto a la conservación de algún parámetro real a la proyección, distinguimos:

− Proyecciones equidistantes: se conservan las distancias. − Proyecciones equivalentes: se conservan las superficies. − Proyecciones conformes: se conservan las formas (o, lo que

es lo mismo, los ángulos).

No es posible tener las tres propiedades anteriores a la vez, por lo que es necesario optar por soluciones de compromiso que dependerán de la utilidad a la que sea destinado el mapa.

● Dependiendo de cuál sea el punto que se considere como centro del mapa, se distingue entre:

− Proyecciones ecuatoriales: cuyo centro es la intersección entre la línea del Ecuador y un meridiano.

− Proyecciones oblicuas o inclinadas: cuyo centro es cualquier otro punto.

− Proyecciones polares: cuyo centro es uno de los polos. −

3.2. Proyecciones más significativas Describimos las proyecciones más significativas:

A) Proyección cilíndrica

La proyección cilíndrica usa un cilindro tangente a la esfera terrestre, situado de tal manera que el paralelo de contacto es el ecuador. La malla de meridianos y paralelos se dibuja proyectándolos sobre el cilindro, suponiendo un foco de luz que se encuentra en el centro del globo. El cilindro es una figura geométrica que puede desarrollarse en un plano.

La más famosa es la proyección de Mercator, que revolucionó la cartografía. Es una de las más utilizadas aun cuando por lo general en forma modificada, debido a las grandes distorsiones que ofrece en las zonas de latitud elevada, lo que impide apreciar en sus verdaderas proporciones las regiones polares.

B) Proyección cónica

La proyección cónica se obtiene proyectando los elementos de la superficie esférica terrestre sobre una superficie tangente, tomando el vértice en el eje que une los dos polos. La imagen proyectada en la superficie cónica se despliega, resultando un dibujo plano, de fácil reproducción en una hoja de papel.

En esta proyección se origina una distorsión asimétrica que

afecta, en gran medida, a las zonas polares, pero ofrece aceptable precisión en las zonas del hemisferio donde el cono de proyección es tangente.

Se utiliza, preferentemente, para representar aquellos

países que se encuentran en las regiones de latitudes medias, por ser menor la distorsión resultante.

C) Proyección acimutal

La proyección azimutal es la que se consigue proyectando una

porción de la Tierra sobre un disco plano tangente al globo en un punto seleccionado, obteniéndose la visión que se lograría ya sea desde el centro de la Tierra (Proyección azimutal gnomónica) o desde un punto del espacio exterior.

Figura: Proyección azimutal gnómica, desde el centro del globo terrestre

Estas proyecciones ofrecen una mayor distorsión cuanto mayor sea a su vez la distancia al punto tangencial de la esfera y del plano.

D) Proyección estereográfica Un tipo de proyección azimutal es la proyección

estereográfica, en la cual consideramos que el foco de luz está en los polos. La superficie que puede representar es mayor que un hemisferio.

En su proyección polar los meridianos son líneas rectas. En la

proyección ecuatorial sólo son líneas rectas el ecuador y el meridiano central.

Figura 6. Proyección azimutal estereográfica

E) Proyecciones combinadas

Las proyecciones combinadas, en las cuales se realizan la mayoría de los mapas, a veces con varios puntos focales, tienen como objetivo corregir las distorsiones en ciertas áreas seleccionadas, aun cuando se produzcan otras nuevas en lugares a los que se concede importancia secundaria, como son, por lo general, las grandes extensiones de mar.

Las más usuales son las proyecciones de Sanson, Bonne,

Lambert, Mollweide u homolográfica, Goode u homolosena, Hammer, Eckert, Brisemeister y la proyección UTM. La UTM divide el mundo en husos. Esta es la proyección que se usa para trazar el mapa básico español de escala 1:50.000.

Suelen utilizarse para fines educativos, y los mapamundis elaborados según la de Mollweide.

Que tiene forma de elipse y menores distorsiones.

Sanson Bonne

4-. Aplicaciones cartográficas de las proyecciones cartográficas y la energía solar

La proyección cartográfica más utilizada para representar parámetros de energía solar sobre el terreno es la proyección cónica conforme de Lambert.

En estos mapas se expondrán los valores de las siguientes

variables: a) Irradiación diaria. b) Irradiación media mensual. e) Irradiación media anual. d) Temperatura ambiente. 5-. Unidades de medida 5.1-. Exactitud, precisión y periodo de integración en la realización de medidas

La exactitud expresa la incertidumbre en la concordancia entre el valor medido y el valor verdadero. Los sensores para medir la radiación, en su mayoría, no son absolutos y deben calibrarse con un instrumento absoluto. En este caso, la exactitud del valor medido depende de la precisión del instrumento y del procedimiento de calibración.

La precisión del instrumento está determinada por:

a) La resolución, es decir, la variación más pequeña de la magnitud de radiación que puede detectar el instrumento.

b) Las variaciones de la sensibilidad debidas a alteraciones de las variables ambientales.

c) La no linealidad de la respuesta, es decir, cambios de sensibilidad asociados a variaciones de irradiancia.

d) La desviación de la respuesta espectral respecto a la postulada.

e) La desviación de la respuesta direccional respecto a la postulada, es decir, la respuesta cosenoidal y la respuesta azimutal.

En la selección del periodo de integración, se recomienda

registrar una frecuencia temporal que se remonte un orden de magnitud a la frecuencia de tiempos requerida. Así, si la frecuencia requerida son datos diarios, se recomienda medir datos horarios, y si se requieren datos horarios, se recomienda medir datos minutales. En el caso de requerirse datos horarios, es frecuente también el registro de datos diez-minutales.

Esta práctica simplificará el tratamiento posterior de los datos, ya que si hay que suprimir alguna observación en el filtrado (debido a problemas puntuales u operaciones de mantenimiento de los sensores) se dispone de más observaciones contenidas en el mismo intervalo de tiempo, con las que poder estimar el valor correspondiente.

6-. Medida de la radiación solar

Describimos 4 instrumentos de medida de radiación solar, sus principios de funcionamiento y sus aplicaciones: Piranómetro, Heliógrafo, Pirheliómetro y Espectrorradiómetro.

6.1-. Piranómetro

Es un medidor indirecto de radiación solar. Usado para medir la radiación directa, difusa y el albedo.

Se basa en la diferencia de temperatura de dos cuerpos sometidos a la radiación que queremos medir. El primer cuerpo es una superficie reflectante metálica, y el segundo una superficie absorbente pintada de negro. La diferencia de temperaturas, medida por un termopar, es directamente proporcional a la radiación que recibimos.

Existen otros dos modelos basados en diferentes

principios: ● Se sustituye el termopar por dos células fotoeléctricas, se obtienen sus medidas y se interpreta su diferencia. ● Por medio de dos láminas bimetálicas expuestas a la radiación solar, la diferencia de sus dilataciones es proporcional a la radiación que reciben.

El piranómetro tándem está formado por dos piranómetros, uno orientado hacia el sol y el otro en sentido contrario al anterior. El primero mide la radiación total. y el segundo el albedo. La diferencia de sus medidas es la radiación global.

La termo pila, formada por sectores blancos y negros, es

capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 50.000 nm y tiene una respuesta casi perfecta al coseno del ángulo de incidencia.

La cúpula de cristal limita la respuesta al rango de 300 a 2800 NM. Preservando un campo de visión de 180 grados. Otra

función de la cúpula es la de proteger la termopila de la convección.

Las bandas negras del sensor (termopila) absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores hacia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una señal eléctrica proporcional a la radiación incidente.

Tipos de piranómetros:

Las propiedades de los piranómetros que hay que tener en cuenta al evaluar la precisión y calidad de la medida de la radiación son: sensibilidad, estabilidad, tiempo de respuesta, respuesta cosenoidal. respuesta azimutal. linealidad, respuesta de temperatura y respuesta espectral.

En base a la precisión y calidad global del sistema, pueden definirse tres clases de piranómetros. 6.2-. Heliógrafo

Se utiliza para medir el número de horas de sol a lo largo de cada día (insolación).

Entre los diferentes modelos, el más utilizado es el de bola

(CampbellStockes) que consiste en una lámina semicircular de papel fotosensible, en la cual se marcan las horas, y de una esfera de cristal transparente. La esfera de cristal actúa concentrando los rayos solares sobre la lámina de papel, dejando una marca en esta, proporcional a la intensidad de la radiación solar. La marca recorre el papel acompañando al movimiento del sol en su trayectoria diaria de Este al Oeste.

Al final del día se extrae la lámina de papel y se mide la longitud de la marca, conociéndose el número de horas de sol diarias, con una determinada irradiación solar directa, igual o mayor que 100 W/m2.

Bandas de papel fotosensible

La constante de insolación (Ci) es el cociente entre las horas diarias de sol y el número de horas diarias (24 h).

 

n= número de horas diarias de sol. N= 24 horas. 6.3-. Pirheliómetro

Sirve para medir la radiación directa, ignorando la radiación difusa y el albedo.

Pirheliómetro Ángstrom

Está formado por un cilindro recubierto interiormente por pintura absorbente y un piranómetro en el fondo.

El cilindro deberá apuntar al sol constantemente para que la

medida sea correcta. El recubrimiento interior absorbente evita las reflexiones en sus paredes, solamente llegando la radiación directa al piranómetro.

Existen varios tipos de pirheliómetros, dependiendo de la

inversión disponible para los instrumentos de medida y de la precisión requerida:

A) Pirheliómetro patrones primarios (absolutos)

Un pirheliómetro absoluto es un instrumento susceptible de definir la escala de irradiancia total sin recurrir a fuentes o radiadores de referencia. Todos los pirheliómetros absolutos de diseño moderno utilizan receptores de cavidad y, como sensores, medidores diferenciales de flujo calorífico calibrados eléctricamente.

B) Pirheliómetros patrones secundarios

El pirheliómetro de compensación Ángstrom. El pirheliómetro de compensación Ángstrom es un

instrumento muy adecuado para la calibración de piranómetros y

otros pirheliómetros. Fue diseñado por K. Ángstrom (1893) como instrumento absoluto y la Escala Ángstrom, de 1905, se construyó basándose en él, aunque en la actualidad se utiliza como patrón secundario y debe calibrarse por comparación con un instrumento patrón.

El pirheliómetro de disco de plata.

El pirheliómetro de disco de plata es un instrumento de referencia que siempre debe calibrarse por comparación con un patrón primario. Presenta buena estabilidad y todavía se utiliza para calibrar piranómetros y pirheliómetros.

C) Pirhelíómetros de primera y segunda clase

Son los que se usan frecuentemente. Utilizan termopilas como detectores. Se emplean para un registro continuo de la radiación solar. Pueden utilizarse para la calibración de los instrumentos de una red. A su vez, es necesario calibrarlos por comparación con patrones primarios o secundarios. La precisión en el transcurso de un año y para todas las condiciones ambientales durante el empleo del instrumento debe ser superior al uno por ciento para un pirheliómetro de primera clase y al dos por ciento para uno de segunda. Otro aspecto importante del instrumento es el tiempo de respuesta.

6.4-. Espectrorradiómetro

Mide la distribución espectral de la radiación solar dentro de un rango de longitudes de onda que dependerá de la tecnología y del detector utilizado.

Los sistemas de aprovechamiento térmico tienen distinta respuesta dependiendo de la distribución espectral de la radiación solar incidente.

7-. Radiación solar directa

La radiación directa es la que proviene de una sola dirección, incidiendo sobre una superficie.

8-. Radiación global y difusa

Radiación difusa es una parte de la radiación solar, difundida en la atmósfera por múltiples choques con las partículas que contiene el aire. No es direccionaL procede de todo el cielo visible y su distribución es uniforme en toda la bóveda.

Radiación global es la suma de la radiación directa y difusa.

9-. Medida de la radiación global

Para ello utilizamos el piranómetro, tal como hemos visto en el apartado anterior

10-. Medida de la radiación difusa

Para su medida se usa el piranómetro anteriormente visto, precisando de la utilización de dispositivos de sombreado. En la siguiente figura se muestra un piranómetro con banda de sombra. Estas tienen el inconveniente de que necesitan de un ajuste manual periódico, así como una corrección teórica de la variable registrada, ya que sombrean una importante porción de cielo además del disco solar.

Piranómetro con banda de sombra

Recientemente es cada vez más común la utilización de seguidores solares que incluyen un sistema de sombreamiento puntual en la localización del Sol. Estos sistemas son sustancialmente más complejos y costosos que los convencionales, pero solucionan los problemas de cableado y de corrección de la banda de sombra. Además, permiten la instalación de varios dispositivos para la medida de la radiación directa y de la radiación difusa.

Seguidor solar 2AP

Como se puede ver en la figura, en la plataforma se dispone a la derecha un piranómetro sombreado y ventilado para la medida de la radiación difusa. En los discos laterales se encuentra el sensor de cuatro cuadrantes utilizado por el seguidor solar para mantener la alineación con el SoL y un pirheliómetro Eppley NIP para la medida de la radiación directa.

11-. Tablas y sistemas de medida

Los valores de temperatura ambiente media, durante las horas de sol por ciudad, de la radiación solar. por mes y por ciudad, de la energía incidente sobre una superficie horizontal de un metro cuadrado, un día medio de cada mes, por ciudad, la altitud, latitud y temperatura mínima histórica por ciudad, están reflejados en tablas. 12-. Definiciones

El julio o joule (J) es la unidad de energía, trabajo y calor del Sistema Internacional de unidades. Es el trabajo necesario para producir un vatio (W) de potencia durante un segundo. Es decir. un vatio por segundo (W·s). Eléctricamente equivale al trabajo realizado por una diferencia de potencial de 1 voltio y con una intensidad de 1 amperio durante un tiempo de 1 segundo.

El vatio (W) es la unidad de potencia del Sistema Internacional de Unidades. Es el equivalente a 1 julio por segundo (1 J/s). Expresado en unidades utilizadas en electricidad, un vatio es la potencia eléctrica producida por una diferencia de potencial de 1 voltio y una corriente eléctrica de 1 amperio (1 Voltio-Amperio). 1 vatio hora (W.h) = 3 600 J 13-. Atlas solares

La cantidad de energía solar que puede ser captada en cada punto de la orografía se puede representar por medio de una cartografía enlazada a una base de datos. En estos mapas se expondrán los resultados del estudio proporcionando las siguientes variables: a) Irradiación diaria. b) Irradiación media mensual. e) Irradiación media anual. d) "Temperatura ambiente. Estos mapas extensos están basados en datos de observación por satélite y en superficie.

Mapa de Irradiación un dia del mes de febrero.

Mientras más cerca del ecuador nos encontremos, más energía se recibe. Sin embargo, la diferencia de energía recibida es muy pequeña en unos pocos kilómetros de distancia. Lo que cambia significativamente entre un punto y otro, es el relieve del

entorno, y el conjunto de edificios que ocultan el Sol a determinadas horas del día.

El uso de un atlas solar nos dará información muy fiable sobre el potencial de la energía solar en un lugar determinado, la ubicación correcta de una placa solar, para obtener un máximo aprovechamiento energético.

Citamos varios ejemplos de atlas solares creados para diferentes poblaciones: Atlas solar de la ciudad de Málaga: http://energia.malaga.eu/Radiacion/ Atlas solar de cataluña: http://www20.gencat.cat/docs/icaen/Migracio%20automatica/Documents/Activitats%20i%20dades%20energetiques/Arxius/monografic12.pdf Mapa de Irradiación solar de la región de Murcia: http://repositorio. bib. upct.es:8080/dspace/bitstream/ 1031 7/304/11 atlas-carm. Pdf 14-. Sensores de medida y estaciones meteorológicas

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación serán, en nuestro caso, temperatura, velocidad de un fluido, humedad, posición. Una magnitud eléctrica puede ser una resistencia eléctrica (como en una resistencia variable con la temperatura, RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una diferencia de potencial (como en un termopar), una corriente eléctrica (como en un módulo fotovoltaico), etc.

Las estaciones meteorológicas son instalaciones destinadas a medir y registrar regularmente diversas variables meteorológicas. Estos datos se utilizan tanto para la elaboración de predicciones meteorológicas a partir de modelos numéricos como para estudios de parámetros solares, como es nuestro caso. La mayor parte de las estaciones meteorológicas están automatizadas, requiriendo un mantenimiento ocasional.

15-. Sensores de velocidad y dirección del viento

La velocidad del viento es medida por el anemómetro o por ultrasonidos, y la dirección de este por una veleta o por ultrasonidos.

Describimos los dos sistemas de medida más usados en la práctica, basados en tecnología electrónica.

Sistemas a través de anemómetros de cazoleta unido a un generador de corriente alterna (sin escobillas) y un rectificador para medir la velocidad del viento y veletas para medir la dirección, mediante la velocidad de giro de las cazoletas o la orientación de la veleta se obtienen ambos parámetros, por pulsos y por un potenciómetro de precisión, respectivamente.

Dos montajes tándem de anemómetro y veleta

Sistemas de medición de velocidad y dirección de viento mediante ultrasonidos: a través de un sistema de ultrasonidos que se basa en tres transductores que emiten ondas ultrasónicas y calculan internamente la velocidad y dirección del viento en función de las variaciones en la recepción de las mismas.

Sensor ultrasónico de velocidad y dirección del viento 16-. Sensores de temperatura del fluido, temperatura ambiente y humedad relativa

La temperatura ambiente es medida por una sonda de temperatura electrónica de intemperie.

La temperatura del fluido es captada por una sonda de

temperatura electrónica o por un termostato mecánico. Estos irán lo más en contacto posible con el fluido, pero separado de este.

Existen dos tipos de montaje:

Por inmersión: colocados dentro de una vaina, la cual estará inmersa en el depósito o en la tubería. Por contacto: por medio de una abrazadera metálica estará en contacto exteriormente con la tubería o el depósito de agua cuya temperatura queramos controlar.

Sensores de temperatura.

Los sensores de humedad relativa y punto de rocio nos indican la cantidad de agua en forma de vapor que hay disuelta en el aire, cada uno de distinta forma.

La Humedad Relativa nos da la relación (en %) entre la

cantidad de agua que hay y la cantidad máxima que admite el aire. Esta cantidad máxima que admite el aire depende de la temperatura (a mayor temperatura, más agua en fase vapor admite), por lo que la Humedad Relativa depende de la Temperatura.

El Punto de Rocío nos indica la temperatura a la que la cantidad de agua vapor disuelta en unas determinadas condiciones coincidiría con el 100%. Dicho de otra manera, es la Temperatura a la que condensaría el agua (ya no cabria más agua disuelta en forma de vapor y se convertiría en líquido) si bajamos la misma desde la Temperatura original.

La humedad relativa se mide siempre que su valor no sea muy bajo (> 10% aprox.) y el punto de rocío cuando sea baja. Para ello, existen dos razones:

● La primera es que la medida de Humedad Relativa suele

tener un error (en torno al2%). Si medimos una Humedad Relativa del6% con un error del 2%, no lo estamos haciendo bien.

● En segundo lugar, saber que pequeños cambios a baja Humedad Relativa (unas décimas) se aprecian mucho mejor si medimos Punto de Rocío, ya que el cambio suele ser de varios o C.

Sensor de Humedad Relativa. 17-. Sensor de radiación solar

Propiamente dicho no existen sensores directos de radiación solar. Los diferentes sistemas de medida anteriormente expuestos se basan en medir la diferencia de temperatura entre dos cuerpos, uno expuesto directamente y otro oculto a la radiación. 18-. Sistemas de adquisición de datos

El equipo de adquisición o datalogger es un equipo electrónico donde se conectan los sensores y que va almacenando los datos que miden los anteriores. El almacenamiento de datos se puede llevar a cabo en diferentes intervalos horarios.

Los dataloggers deben de estar conectados a un ordenador hacia donde puedan volcarse los datos de la memoria de los primeros con un software específico. Hay distintas vías de

comunicación con los dataloggers, vía cable serie, red telefónica (MÓDEM), WIFI o vía Internet si el equipo permite tener una Dirección IP.

Es posible que no haga falta el datalogger en el caso de tener conectados los sensores directamente a una tarjeta convertidora de un PC.

19-. Módulos solares fotovoltaicos

Los módulos solares fotovoltaicos podrían ser utilizados como sensores de radiación total, siendo su valor proporcional a la intensidad generada por el conjunto de paneles.

20-. Estaciones meteorológicas

Mostramos la disposición de una central meteorológica con algunos de los diferentes instrumentos de medida estudiados en los apartados anteriores.