Radiación solar en proyectos urbanos

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CARLOS LEAL IGA*, JAVIER LEAL IGA*

CIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015

El Sol es la fuente de todas las formas y expresiones de energía en el mundo. La existencia de los seres vivos no sería posible en ausencia de los organismos fotosintéticos, y éstos no existirían si nuestro planeta no tuviese un aporte continuo y efectivo de radiación solar. Los climas del mundo obedecen a esta relación Sol-Tierra, así como muchos fenómenos geológicos y oceánicos. (1) La energía solar resulta del proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el Sol. De esta energía, el motor que mueve nuestro medio ambiente, sólo 0.1% se utiliza en el proceso de la fotosíntesis, pero incluso esta cantidad es diez veces mayor que el consumo de energía del mundo actual. (2) El poder solar sigue siendo la más abundante fuente renovable de energía en la Tierra, el aprovechamiento de esta fuente de energía se encuentra como el reto de este siglo. (3)

El total de la energía radiante del Sol es notablemente constante. De hecho, la emisión de radiación solar comúnmente se ha denominado la constante solar, pero el término aceptado actualmente es la irradiación solar total (TSI), para tener en cuenta la variabilidad real con el tiempo. Hay ciclos en el número de manchas solares (áreas más frescas, oscuras en el Sol) y la actividad solar de aproximadamente 11 años.

La variación en las mediciones de TSI es de ± 0.2%, las cuales se deben al ciclo de manchas solares. Estas variaciones se supondrían como mínimas, si se considera que la medición de la radiación en el espacio por los radiómetros más precisos es de ± 0,5%. (3)

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La cantidad de radiación que se intercambian entre dos objetos depende de su distancia de separación. La órbita elíptica de la Tierra (excentricidad 0.0167) nos acerca más al Sol en enero y lo aleja más en julio. Esta variación anual se traduce en una variación de la irradiación solar de la Tierra de ± 3%. La distancia media del Sol a la Tierra es de 149, 598,106 km (92;955,953 millas), o 1 AU.

La irradiación solar que llega a las capas superiores de la atmósfera se le llama radiación solar extraterrestre (Extraterrestrial Radiation ETR). Según lo medido por múltiples satélites en los últimos 30 años, la ETR es 1,366 ± 7 W/men 1 AU. Según cómputos astronómicos, como el software de posición solar del National Renewable Energy Laboratory (NREL), la variación de la distancia Tierra-Sol causa una variación típica en la ETR de unos 1,415 W/m2, alrededor del 3 de enero; a unos 1,321 W/m2, alrededor del 4 de julio. (3)

La atmósfera terrestre es un filtro constantemente variable para la TSI que alcanza a llegar al suelo. La cantidad de atmósfera que deben atravesar los fotones solares, también denominada la longitud del camino atmosférica o masa de aire (AM), depende de la posición solar relativa del observador. En esta masa de aire se genera la absorción de la radiación solar por el ozono, oxígeno, vapor de agua y dióxido de carbono.

El ambiente despejado también contiene moléculas gaseosas, polvo, aerosoles, partículas, entre otros, que reduce la ETR cuando atraviesa la atmósfera. Esta reducción se debe a absorción (captación de la radiación) y dispersión (esencialmente un tipo complejo de reflexión) de los elementos que componen la atmósfera. (3)

Los rayos de luz del Sol se consideran paralelos para la mayoría de las aplicaciones y se les denomina irradiación normal directa (DNI), por lo general se estiman como la cantidad de radiación recibida anualmente por una superficie mantenida normal a la radiación entrante y se miden en kWh/m2/año. Esta cantidad es de particular interés para la construcción de instalaciones solares térmicas de concentración, las cuales se basan en seguir la posición del Sol. (4)

Se sigue investigando acerca de las propiedades de constituyentes atmosféricos para estimar su influencia sobre la magnitud de la radiación solar que se encuentra en varios niveles de la atmósfera y a nivel del suelo por medio de mediciones con satélites, modelos matemáticos, (5) y que efectúan mediciones de los flujos solares a nivel del suelo. Las mediciones a nivel del suelo permiten obtener un patrón estadístico del comportamiento de la atmósfera más preciso.

Con el objetivo de evaluar el uso de la radiación solar en proyectos urbanos, se presenta el análisis de la potencialidad de aprovechamiento fotovoltaico en un caso de estudio ubicado en la zona de Escobedo, en el área metropolitana de Monterrey, Nuevo León. Determinando la cantidad de irradiación solar mensual medida a nivel de suelo, y con ella calcular los mde paneles fotovoltaicos que se requerirían para sustituir el uso de electricidad generada con recursos no renovables, en una casa promedio de un fraccionamiento diseñado con criterios bioclimáticos.

Descripción del clima

Monterrey está geográficamente situado a 25o 40‘ latitud Norte y a 100o 18’ longitud Oeste, a una altitud de 540 msnm, el clima se clasifica como extremoso, principalmente caluroso y seco, pero con temperaturas templadas en las áreas más altas con heladas en invierno. Monterrey tiene una temperatura promedio de 23°C, aunque suele llegar a los 43°C en verano y a menos de 5°C en invierno. La humedad promedio es de 62%, y con lluvias fuertes durante los meses de julio, agosto, septiembre y octubre. Los vientos dominantes provienen del oeste y del sureste; estos últimos del cañón del Huajuco. En el invierno predominan los del norte, que en febrero y marzo soplan con mayor fuerza. (6) En la figura 1 se muestra la estadística de los promedios de temperaturas medias, máximas y mínimas medidas en la estación “Observatorio Monterrey” de la CNA (Comisión Nacional del Agua) en el periodo de 1991 a 2002. (7)

Fig. 1. Temperaturas máximas, medias y mínimas en la Estación Observatorio de la CNA: latitud 25° 44' 01", longitud 100° 18' 17", altitud 515 msnm. Fuente: Elaboración propia.

Fig. 1. Temperaturas máximas, medias y mínimas en la Estación Observatorio de la CNA: latitud 25° 44′ 01″, longitud 100° 18′ 17″, altitud 515 msnm. Fuente: Elaboración propia.

Caso de estudio

En la figura 2 se aprecia el caso de estudio (figura de rombo), ubicado en el Fraccionamiento Vida (Vivienda de Diseño Ambiental) en el municipio de General Escobedo, en el área metropolitana de Monterrey, Nuevo León. Este fraccionamiento ganó el Premio Nacional de Vivienda 2007, en la categoría desarrollo habitacional sustentable. (8) En éste se aplicaron principalmente criterios de bioclimatismo y sistemas de energía solar pasiva en su diseño.

Se plantea evaluar la potencialidad de aprovechamiento de sistemas de energía solar activa, al sustituir el total de consumo eléctrico de las viviendas con la energía generada por un sistema de paneles solares, considerando el promedio mensual de los consumos de electricidad de dos casas en la zona de estudio.

Radiación solar en la zona

Las mediciones de radiación solar se tomaron de las dos estaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambiental del Estado de Nuevo León9 más cercanas a la zona en estudio.

La posición de las dos estaciones se observa en la figura 2 (círculos). La estación Norte en Escobedo se ubica en el fraccionamiento Santa Luz, y la estación Noroeste en la colonia San Bernabé.

Fig. 2. Localización de las dos estaciones meteorológicas y el caso de estudio en el área metropolitana de Monterrey, N.L. Fuente: Elaboración propia con base en datos de SIMA e IVN). (9,10)

Fig. 2. Localización de las dos estaciones meteorológicas y el caso de estudio en el área metropolitana de Monterrey, N.L. Fuente: Elaboración propia con base en datos de SIMA e IVN). (9,10)

Las mediciones se muestran en la figura 3. Como se observa, el comportamiento de la radiación en las dos estaciones es muy similar, sin embargo, la estación Noroeste capta más radiación en verano que la Norte.

En la tabla I se muestran los valores de la radiación solar mensual medida para las dos estaciones consideradas, así como el promedio de las mismas.

Consumo eléctrico en la casa promedio

Para determinar los consumos de la casa promedio del fraccionamiento se realizó una encuesta que arrojara los promedios mensuales de los gastos de energía eléctrica en dos casas. Con base en los consumos reportados en los recibos de la compañía de electricidad, los promedios de consumo por mes en 2012 se presentan en la tabla II.

Cálculo de paneles fotovoltaicos

En el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos de baja potencia, como las casas habitacionales, un concepto útil al trabajar con celdas solares es la unidad denominada potencia pico o watt pico (Wp). (11) La potencia de todos los paneles fotovoltaicos se especifican en Wp, bajo lo que denominan condiciones estándar de prueba (STC, por sus siglas en inglés, Standard Test Conditions). El STC es un estándar de medición que permite la comparación de paneles de distintos fabricantes bajo las mismas condiciones de prueba. (12) Un Wp representa la potencia eléctrica que entrega el panel cuando la irradiación sobre éste es de 1000 W/m2 (estándar o norma de certificación), con un espectro o composición similar a la radiación solar, y con una temperatura de 25º. (13)

Fig. 3. Mediciones de radiación solar en kW-h/m2/mes 2012 para cada una de las dos estaciones SIMA. Fuente: Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA).

Fig. 3. Mediciones de radiación solar en kW-h/m2/mes 2012 para cada una de
las dos estaciones SIMA. Fuente: Sistema Integral de Monitoreo Ambiental
(SIMA).

El área en m2 de paneles fotovoltaicos se determinará en función del número de paneles necesarios, para satisfacer el consumo de energía eléctrica para la casa en estudio y la disponibilidad de radiación solar medida en las dos estaciones.

Así, mediante la ecuación (1) se calculará la energía requerida en Wp, al considerar lo mencionado en el párrafo anterior, además de la eficiencia del panel y las pérdidas correspondientes. (11-13)

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tabla_I_radiacion_solar

tabla_II_consumo_promedio_energia

Donde Er es la energía requerida, en Wp; CoE el consumo de energía eléctrica promedio en kW-h/mes para la casa en estudio (tabla II); ProR la radiación solar promedio de las dos estaciones en kW-h/m2 /mes (tabla I); ϕ el factor de pérdidas, Adim y α la eficiencia del panel. Las pérdidas en el sistema fotovoltaico se calcularán mediante la ecuación (2).

ecuacion_w_0_radia

Donde ω son las pérdidas por sombras, polvo y suciedad = 8%; (14,15) θ las pérdidas por envejecimiento de los cables = 3%; (14,15) µ las pérdidas por baterías = 15%; (14) β las pérdidas por el inversor = 15%. (14,15)

El panel fotovoltaico propuesto en el presente estudio es policristalino con 0.99 m de ancho, 1.74 m de largo, 1.719 m2 de superficie de captación y con capacidad de entregar 176 Wp en condiciones estándar SCT. Para este panel se determinó una eficiencia energética α de 0.12, basado en las características dadas por el fabricante.

El número de paneles requeridos Np se calculará con la ecuación (3).

ecuacion_np_er_rad3

Donde Ep es la energía aportada por el panel, en Wp = 176Wp. Así, los m2 de panel que se requieren para satisfacer el consumo en la casa en estudio se calcularán mediante la ecuación (4).

ecuacion_atrp_radia

Donde ATPR es el área total de paneles requeridos en m2 , y Ap el área de un panel, en m2 = 1.719 m2 .

RESULTADOS

Los resultados de calcular el área de paneles necesarios para satisfacer el consumo en la casa en estudio ATPR, se muestran en la tabla III.

Suponiendo que la regulación energética gubernamental permitiera sustituir la energía eléctrica completa de una casa habitación por energía solar, se realiza este ejercicio de sustitución.

En la tabla III se observa que el mes que requiere más cantidad de metros cuadrados de paneles es noviembre, con 43.45 m2 ; debido a que en ese mes se presenta una menor captación de insolación en el año con un alto nivel de consumo.

La mayoría de los lotes son rectangulares de 6 m de frente por 15 m de largo, con construcción en dos niveles de 42 m2 por planta, aproximadamente. Con esto se muestra que para instalar el sistema de paneles solares se necesitaría el total de área de losa disponible debiendo agregar aparte 1.45 m2 , y significaría la instalación de 25 paneles de los citados en el apartado anterior para cumplir con la mayor demanda mensual.

Además, con base en los resultados del estudio, se establece que al considerar las condiciones del mes crítico, noviembre, para la zona de estudio, la proporción de área de panel necesaria por cada Watt-hora de consumo es de 0.226 m2 /W-h, siendo útil para evaluar la instalación de paneles fotovoltaicos para otra casa habitación o bien pensando en satisfacer una parte del consumo con paneles y el resto satisfacerlo con fuentes no renovables.

CONCLUSIONES

En el presente trabajo de investigación, el objetivo de evaluar el uso de la radiación solar en proyectos urbanos se realizó con un análisis de la potencialidad de aprovechamiento fotovoltaico, en un caso específico de estudio ubicado en la zona de Escobedo dentro del área metropolitana de Monterrey, Nuevo León.

Esto debido a que la cantidad de irradiación solar que llega al suelo depende de factores propios de cada zona geográfica como la latitud, nubosidad, humedad, polvo y smog entre otros. Además, el aprovechamiento del recurso solar para satisfacer los requerimientos eléctricos de una casa habitación a su vez depende de las condiciones del clima y costumbres de consumo propias del lugar geográfico específico.

Por lo tanto, la cantidad tan grande de factores involucrados y variabilidad de los mismos, estrechamente relacionados con las condiciones climáticas, espaciales y sociales de cada zona geográfica, se determinó evaluar todos estos factores al calcular los m2 que se requerirían para sustituir el uso de electricidad generada con recursos no renovables en una casa para una zona específica.

Del estudio se estableció que se requerirían 43.45 m2 de paneles solares para satisfacer totalmente el consumo eléctrico de una casa típica en esa zona de Escobedo, N.L., que representan 0. 226 m2 /W-h.

Con estos resultados ahora es factible evaluar el uso de paneles fotovoltaicos que aprovechen el recurso solar en proyectos urbanos en esa zona, y que permitan una comparación económica y ambiental, al sustituir parte o el total del consumo generado.

* Universidad Autónoma de Nuevo León.
Contacto: clealiga@hotmail.com, jlealiga@yahoo.com.mx

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Referencias

1. Nahle Sabag, Nasif. (2011). Radiación solar en la capa exterior de la atmósfera terrestre y sobre la superficie terrestre (suelo y océano). Biology Cabinet. 7 de junio de 2011.

2. Sen, Zekai. (2004). Solar energy in progress and future research trends, Progress in Energy and Combustion Science, Elsevier, Volume 30, Issue 4, Pages 367–416.

3. Tom, Stoffe;, Dave, Renné; Daryl, Myers; Steve, Wilcox; Manajit, Sengupta; Ray, George y Craig Turchi (2010). Concentrating Solar Power Best Practices Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data. Technical ReportNREL/TP-550-47465. National Renewable Energy Laboratory, U.S. Department of Energy Office of Energy Efficiency and Renewable Energy Operated by the Alliance for Sustainable Energy, LLC. 1617 Cole Boulevard, Golden, Colorado 80401 303-275-3000 • www.nrel.gov

4. Franz, Trieb; Christoph, Schillings; Marlene, O’Sullivan; Thomas Pregger; Carsten, Hoyer-Klick (2009). Global Potential of Concentrating Solar Power. Solar Paces Conference Berlin, September 2009.

5. National Aeronautics Space Administration (NASA). (2012). Surface meteorology and Solar Energy. A renewable energy resource web site (release 6.0). https:// eosweb.larc.nasa.gov/sse/

6. INEGI. (1981). Synthesis Geographic of México, Coordinación General de los Servicios Nacionales de Estadística Geografía e Informática, Secretaría de Programación y Presupuesto, Insurgentes sur 795, planta baja, Delegación Benito Juárez, México D.F.

7. Comisión Nacional del Agua (CNA). (2002). Gerencia Regional Río Bravo, Subgerencia Técnica. Estación Observatorio Monterrey: Latitud 25° 44′ 01″, Longitud 100° 18′ 17″, Altitud 515 msnm. Nuevo León.

8. IVNL. (2008). Nuestro Espacio. Boletín Informativo del Instituto de la Vivienda de Nuevo León, número 3, enerofebrero. http://es.served.com/doc/5438b57/Nu

9. Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA). (2012). Agencia de Protección al Medio Ambiente y Recursos Naturales. Gobierno de Nuevo León, México. http:// www.nl.gob.mx/?P=med_amb_mej_amb_sima

10. IVNL 2008. Nuestro Espacio, Boletín Informativo del Instituto de la Vivienda de Nuevo León, número 3, enerofebrero.

11. Hermosillo, Juan (1995). Notas del curso: energía solar. Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Occidente (ITESO). Dpto. Proc. Tecnológicos Ind. Div. Ingeniería. Tlaquepaque, Jalisco.

12. Style Oliver. (2012). Energía solar autónoma. Innovación en tecnología alternativa (ITACA).

13. Sarmiento, Antonio. (2003). La hora pico. CUBASOLAR: Energía y Tu, Vol.22, Art.3. Abr-Jun 2003. http:// www.cubasolar.cu/biblioteca/Energia/revista22.htm

14. Arenas Danny, Zapata Hodman (2011). Libro interactivo sobre energía solar y sus aplicaciones. Proyecto de fin de carrera en técnico en electricidad. Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia.

15. Igual, Enrique (2008). Instalación fotovoltaica de 100KW conectada a red sobre cubierta de nave en Cáceres. Proyecto de fin de carrera en ingeniero industrial. Escuela Técnica Superior de Ingeniería. Universidad Pontificia Comillas. Madrid, España.

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