La radiación solar es la fuente de energía utilizada para la generación de electricidad mediante dos tecnologías ya consolidadas en el mercado: la generación fotovoltaica y la generación helio-térmica. La energía solar también tiene aplicaciones en la producción de calor y puede satisfacer demandas de la producción agrícola e a pecuaria, de procesos industriales y de sistemas de calentamiento de agua para los hogares.
La energía solar es el resultado de la fusión nuclear de los átomos de Hidrógeno, que representan alrededor del 75% de la composición del Sol, aconteciendo a una velocidad que ha permanecido aproximadamente constante durante miles de millones de años y con una potencia instantánea del orden de 3,86 x 1026 W. Apenas una fracción de la energía emitida por el Sol llega al tope de la atmósfera de nuestro planeta Tierra. La cantidad de energía que llega al límite superior, o tope, de la atmósfera terrestre se mide desde principios de los años 1970 mediante diferentes técnicas e instrumentos y se conoce como Constante Solar. La Sociedad Americana de Ensayos y Materiales estableció el valor de 1366,1 ± 2,5 W/m², denominado ASTM E490-00a (ASTM, 2019), como o estándar para dicha cantidad más reconocido a nivel mundial.
Entre los diversos factores que influyen en la cantidad y variabilidad de la energía solar que incide en nuestro planeta, los más importantes son el movimiento de traslación de la Tierra alrededor del Sol, en una órbita elíptica que dura 365 días, 5 horas, 48 minutos y 48 segundos, y el movimiento de rotación alrededor de un eje polar con una inclinación de 23,45° con relación al plano de la órbita solar, que define el ciclo diario. Estos dos movimientos combinados definen los ciclos diarios (día/noche) y estacionales asociados con las estaciones: verano, otoño, invierno y primavera. La Figura 2.1 ilustra estos dos movimientos principales y sus efemérides.
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Figura 2.1 - Movimiento de la Tierra alrededor del Sol, con referencia a las fechas de las efemérides relevantes
para el hemisferio sur.
Fuente: Martins y Pereira, 2019.
Los componentes atmosféricos (gases y partículas presentes en la atmósfera) también juegan un papel importante en la atenuación de la radiación solar debido a procesos de interacción como la absorción y dispersión de la radiación solar. Estos procesos radiativos en la atmósfera también determinan la disponibilidad y variabilidad de la incidencia de la energía solar en la superficie utilizada para la generación de electricidad y otros fines.
Para comprender los ciclos diarios y estacionales de la radiación solar que incide en la superficie es necesario comprender una serie de conceptos establecidos en función de la posición relativa entre el Sol y la Tierra. Los principales ángulos notables se ilustran en la Figura 2.2 y son: ángulo cenital (θz), altitud o elevación (α), ángulo de azimut solar (γs). La declinación solar (δ), ilustrada en la Figura 2.3, es el ángulo entre una línea imaginaria que une los centros del Sol y la Tierra y el plano ecuatorial de la Tierra.
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Figura 2.2 - Representación gráfica de los principales ángulos que definen la posición del Sol en la bóveda celeste.
Fuente: Martins y Pereira, Energía solar: estimación y previsión del potencial solar: Appris, 2019.
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Figura 2.3 - Ilustración del ángulo de declinación (δ), que varía de 23,45° norte a 23,45° sur.
Fuente: Martins y Pereira, 2019.
Un concepto muy importante es el de foto-periodo, que corresponde al intervalo de tiempo que tarda el Sol en recorrer el cielo, desde la salida hasta la puesta del sol. Del mismo son derivados los conceptos de crepúsculo (amanecer/atardecer), tal y como definidos en la norma ABTN (NBR- 5123), que establece normas para el alumbrado público.
La atmósfera terrestre actúa sobre el espectro de la radiación solar incidente mediante los fenómenos de dispersión y absorción selectiva en determinadas longitudes de onda. La dispersión ocurre cuando una fracción del haz de radiación proveniente del Sol es removida del flujo en la dirección de incidencia e irradiada nuevamente, pero en longitudes de onda más largas y en direcciones aleatorias. El proceso de dispersión depende de la relación entre el tamaño del elemento dispersor y la longitud de onda de la radiación dispersada. La dispersión causada por los gases atmosféricos se describe como dispersión de Rayleigh, mientras que la dispersión causada por partículas suspendidas en la atmósfera (aerosoles) y gotas de água presentes en las nubes se describe mediante la teoría de dispersión de Mie (Yamasoe y Corrêa, 2016).
La absorción selectiva de longitudes de ondas específicas de la radiación solar ocurre debido a fenómenos cuánticos de interacción de la radiación con la materia. Los componentes atmosféricos que más contribuyen con la absorción de la radiación solar por la atmósfera son el ozono (O₃), para radiación en la región ultravioleta del espectro; y el vapor de agua y el gas carbónico (CO₂), para radiación en las regiones visible e infrarrojo próximo. Como resultado de estas interacciones de la radiación solar con la atmósfera, el espectro solar resultante que llega a la superficie es fuertemente alterado, como ilustrado en la Figura 2.4.
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Figura 2.4 - Espectro de la radiación solar incidente en el tope de la atmósfera y en la superficie terrestre. Las bandas de absorción y la región correspondiente a la radiación visible son ilustradas.
La irradiancia solar se define como el flujo instantáneo de energía radiante que incide sobre una superficie por unidad de área, siendo expresada en W/m². (Watt por metro cuadrado). Entretanto, la irradiación solar se obtiene integrando la irradiancia solar durante un dado intervalo de tiempo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es J/m² (Joule por metro cuadrado). Sin embargo, el sector de generación de energía usualmente adopta la unidad Wh/m² (Watt-hora por metro cuadrado) para expresar la irradiación solar. Esta es una magnitud muy utilizada en el dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos.
La irradiancia solar se clasifica en sus componentes Global, Directa y Difusa según los procesos de dispersión radiativa en la atmósfera. La irradiancia solar también se puede clasificar considerando la geometría y ubicación de la superficie sobre la que se produce la incidencia como: Plano Inclinado, Plano Horizontal y Extraterrestre. Con base en estas clasificaciones, se presentan a continuación las definiciones adoptadas en el presente Atlas de Energía Solar del estado de Paraíba:
Los componentes de la irradiancia solar pueden verse en la Figura 2.5.
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Figura 2.5 Componentes de la radiación solar incidente sobre un colector solar en un plano inclinado.
Fuente: Atlas Brasileño de Energía Solar - INPE, 2017.
Para medir la energía solar incidente en la superficie se utilizan varios métodos basados en diferentes procesos físicos, como se muestra en la Tabla 2.1. Los sensores modernos, utilizados para adquirir datos de radiación solar, evalúan el parámetro físico medido mediante una señal eléctrica y se denominan genéricamente radiómetros. Las normas ISO y OMM establecen clasificaciones y especificaciones para medir la irradiancia solar (ISO 1990; OMM 2008).
Tabla 2.1 - Principales procesos físicos en los que se basan las observaciones de la radiación solar.
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Los piranómetros son instrumentos más modernos y de uso generalizado para mediciones de irradiancia solar global (GHI). Este equipo suele utilizar dos tipos de sensores: el sensor de termopila (conjunto de termopares) o el sensor de fotodiodo.
En general, los equipos se dividen en tres clases distintas:
Los piranómetros de termopila tienen una curva de respuesta espectral prácticamente plana entre 300 y 3000 nm (rango espectral que comprende la radiación visible y parte de las regiones de radiación ultravioleta e infrarroja), cubriendo todo el espectro de radiación solar de interés, como se muestra en la Figura 2.6. Actualmente, el piranómetro de termopila es el sistema más preciso (de primera clase) para medir la radiación solar, ya que la curva de respuesta de los sensores de fotodiodos tiene una gran dependencia espectral y cubre apenas parcialmente el espectro de la radiación solar que incide sobre la superficie terrestre.
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Figura 2.6 - Respuestas espectrales relativas de una célula solar sc-Si y un piranómetro de termopila.
Fuente: Neves, 2021.
La adquisición de datos de irradiancia solar directa normal se puede realizar de dos maneras. La metodología directa utiliza un pirheliómetro con elemento sensor de termopila, el cual debe acoplarse a un sistema robótico de seguimiento del disco solar, como se muestra en la Figura 2.7 (a), para mantener el sensor siempre iluminado por la radiación solar durante todo el día.
La metodología indirecta utiliza un par de piranómetros, uno de los cuales debe estar constantemente sombreado mediante un anillo (o esfera acompañada de un seguidor solar) para medir la componente difusa (DHI) de la irradiancia solar, como se ilustra en la Figura 2.7 (b). La irradiancia solar directa (Gdir) se obtiene mediante simple resta entre la radiación global horizontal (GHI) y la componente difusa horizontal de la radiación solar (DHI), y posterior corrección por el ángulo cenital solar.
Figura 2.7 - Ejemplos de procesos de medición de la radiación solar directa, (a) usando el pirheliómetro e (b) utilizando el par de piranómetros, uno de los cuales está equipado con un anillo de sombreado (el segundo piranómetro no aparece en la imagen).
Las mediciones de la irradiancia solar en campo son realizadas mediante estaciones solarimétricas con diversas configuraciones. Sin embargo, a los efectos de la obtención de datos para proyectos de generación solar, las mediciones de los distintos componentes de la radiación solar incidente siempre van acompañadas de mediciones de variables meteorológicas como la temperatura ambiente y la velocidad del viento, con una frecuencia de adquisición igual a la adoptada para la irradiancia solar mediada.
Básicamente, existen dos tipos principales de estaciones solarimétricas: las destinadas a estudios, investigación, desarrollo y calibración de modelos computacionales de levantamientos solarimétricos y las estaciones automáticas que cumplen con los requisitos establecidos por la EPE (EPE-DEE-RE-065/2013) para su registro y calificación técnica, con el objetivo de proveer datos que serán utilizados en las subastas de energía. Según el reglamento de la EPE, la estación solarimétrica debe contar, como mínimo, con los siguientes instrumentos:
Además de los piranómetros para medir la componente global de la radiación, las estaciones dedicadas a estudios y al desarrollo de modelos utilizan pirheliómetros acoplados a un rastreador solar para obtener la componente directa de la radiación solar incidente, y otros instrumentos de medición diversos, como cámaras fotográficas para registrar imágenes del cielo (para estudios de nubosidad), espectrofotómetros (para estudiar el espectro de la radiación solar), fotómetros solares, para estudiar la composición de la atmósfera (aerosoles, vapor de agua), entre otros. La Figura 2.8 ilustra estos dos tipos de estaciones solarimétricas.
Figura 2.8 – Plataformas solarimétricas de recopilación de datos (a, b) plataforma destinada a investigación, (c) plataforma atendiendo a los requisitos de la EPE (2021).
Las incertidumbres de las mediciones radiómetros resultan de la calidad de las instalaciones, los equipos, la ubicación de la instalación y las incertidumbres que surgen de su operación en el campo. La Tabela 2.2 presenta, de manera cualitativa, la importancia relativa de las diferentes etapas de instalación, operación y mantenimiento de una estación solarimétrica. Para efectos de aumentar los recursos de energía solar para la generación de energía eléctrica, solo se deben utilizar instrumentos de “primera clase” o “estándares secundarios” si el proyecto cuenta con suficientes recursos financieros a largo plazo para respaldar la operación y el mantenimiento necesarios para garantizar la calidad de las mediciones.
Tabla 2.2 - Importancia relativa, de forma cualitativa, de las distintas etapas de instalación, operación y mantenimiento de una estación solarimétrica.
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Para convertir la energía solar en electricidad se utilizan dos tecnologías: la conversión fotovoltaica (o generación fotovoltaica) y la conversión térmica (o generación helio-térmica). La primera se basa en el principio físico conocido como efecto fotovoltaico, que es la producción de una corriente eléctrica en un material semiconductor expuesto a radiación electromagnética, como las células de silicio presentes en los módulos fotovoltaicos.
La conversión depende del material semiconductor utilizado, que se caracteriza por la energía de creación de pares de electrones libres y huecos (energía de banda prohibida). Así, la elección de la tecnología para la producción de módulos fotovoltaicos (silicio mono o policristalino, películas delgadas o semiconductores orgánicos) está asociada a la respuesta espectral y también al espectro solar incidente. La Figura 2.9 ilustra el efecto fotovoltaico en una celda semiconductora que compone un panel fotovoltaico. La eficiencia de conversión de la radiación solar en electricidad de las tecnologías disponibles en el mercado es del orden del 18 al 24%.
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Figura 2.9 - Ilustración del efecto fotovoltaico en una célula fotovoltaica.
Fuente: Neves, 2021.
La generación fotovoltaica utiliza la irradiación global incidente, es decir, las componentes directa y difusa de la radiación solar, incluida la componente que proviene del albedo superficial, por lo que se produce incluso en días nublados, aunque con menor productividad.
La temperatura de funcionamiento de la célula semiconductora también influye en la generación fotovoltaica. El aumento de temperatura provoca la reducción de la eficiencia de conversión fotovoltaica. De ahí la importancia de los datos de temperatura del lugar de instalación previsto, ya que influyen en la temperatura de funcionamiento del módulo fotovoltaico.
La generación termosolar o helio-térmica (CSP – Concentrated Solar Power) utiliza espejos (helióstatos) que reflejan la luz solar con el fin de concentrar la incidencia solar para la conversión térmica. El calor calienta un fluido de trabajo que moverá las turbinas y activará el generador de electricidad. Existen varias tipologías de generación solar térmica, utilizando espejos parabólicos lineales, o sistemas de varios espejos planos dispuestos de manera que generan calor en un único punto. La Figura 2.10 ilustra las principales tipologías de generación termosolar más utilizadas. La generación solar térmica utiliza únicamente la componente directa de la radiación solar incidente y, por tanto, solo puede aplicarse en regiones con poca nubosidad y alta incidencia de radiación solar, como, por ejemplo, en regiones áridas. Sin embargo, tiene la ventaja de poder generar electricidad incluso después del atardecer, siempre que cuente con sistemas de almacenamiento del calor generado durante el día.
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Figura 2.10 - Sistema de generación helio-térmica: (a) mediante tecnología de lentes Fresnel (b) empleando un sistema de torre; (c) utilizando un disco parabólico; (d) empleando un cilindro parabólico.
