Modelo de seguimiento escalonado solar con diferentes ángulos de aceptación para diversos esquemas de concentración solar

Abstract

En la última década la industria de los energéticos ha tomado un gran impacto social, ambiental y económico debido al aumento exponencial del uso de los energéticos fósiles, fuentes energéticas que poseen variados problemas en su uso los cuales van desde baja eficiencia energética, alto nivel de contaminación en su uso y reserva. Con las actuales oscilaciones del precio del petróleo y el de otros combustibles fósiles, los gobiernos mundiales han llegado a la conclusión de que es necesario fomentar la investigación y desarrollo de tecnologías de energías renovables, para su explotación global. El potencial energético del Sol, se muestra como una de la alternativas con mayor adaptabilidad para los usos domésticos e industriales; dicho potencial aun en su naturaleza variable de acuerdo a la hora del día, época del año y situación atmosférica, presenta como constante energética 1360 W/m2. En este apartado es de suma importancia el cuantificar la radiación solar que alcanza la superficie terrestre, principal problema en el aprovechamiento del energético renovable, que desde principios del siglo XX se ha abordado ampliamente. Varios modelos matemáticos de la radiación solar directa se han realizado utilizando diversas estrategias de seguimiento solar; la importancia de estos sistemas radica en la necesidad de optimizar la cantidad de radiación solar en cualquier tipo de colector. En este trabajo de investigación se plantea el análisis matemático de la radiación solar incidente en una superficie plana mediante el lenguaje MATLAB de diversos esquemas de seguimiento solar en condiciones de cielo claro para las coordenadas geográficas y condiciones 12climatológicas de Zacatecas (Latitud 22.7725 N, longitud 102.6436 E y altitud 2,240 m). Se escribieron rutinas de cáculo para los esquemas de seguimiento: Seguimiento continuo de tipo heliotropo, inclinada con latitud y rotación según el ángulo acimutal.Seguimiento inclinado con la latitud. Seguimiento inclinado con la latitud. Seguimiento continuo que rota sobre el eje horizontal Este-Oeste según la altura solar. Seguimiento fijo. La finalidad principal es encontrar el método de seguimiento solar mas eficiente para el lugar de estudio, de esta manera continuar con el análisis del seguimiento escalonado a 1, 30, 60, 120 y 240 minutos respectivamente. El modelo de cielo claro desarrollado por el Atlas Europeo de la Radiación Solar (ESRA por sus siglas en inglés), el factor de turbidez de Linke, la irradiación total difusa por el cambio de angulo sólido, el parámetro de Albedo y la masa óptica relativa son conceptos que se trabajaron para desarrollar el modelo analizado en esta tesis. Los datos obtenidos de los cálculos de irradiación solar promedio diaria mensual, se presentan en forma de tablas y gráficas con la finalidad de realizar el análisis correspondiente. Se hace una comparación de los datos obtenidos para cada uno de los meses del año 2019, para los diferentes esquemas de seguimiento solar. Se analizaron los datos y también se presentan en los valores en forma de porcentaje mensual, a manera de control, se considera el esquema de seguimiento continuo al sol de tipo heliotropo con el 100 %, esto se hace debido a la naturaleza del mismo esquema, el cual proporciona la máxima energía solar posible. Se muestra a manera de validación, diferentes comparaciones con los datos calculados con las rutinas elaboradas, con respecto a los datos obtenidos de mediciones de la estaciónsolarimétrica Zacatecas 04 ubicada en el Campus UAZ Siglo XXI, edificio 6 de la Universidad Autónoma de Zacatecas. De la misma manera se analizaron y compararon los datos obtenidos mediante un modelo similar en al Ciudad de México presentados por Ramírez en el año 2017 en su tesis de licenciatura, en la Facultad de Ciencias de la UNAM. Al hacer la comparación de los diferentes casos de seguimiento solar se observa lo siguien te: (a) Llega más cantidad de radiación solar por mes, a las superficies que cumplen con algún esquema de seguimiento del sol, con respecto a aquellas superficies que no se mueven. (b) La superficie a la que menos captación de radiación solar incide mensualmente es la superficie horizontal. La irradiación solar, por mes estimada para este caso se encuentra aproximadamente en un 25 % por debajo del máximo valor calculado correspondiente al seguimiento de captación solar de tipo heliotropo. Respecto al an´alisis comparativo de los datos obtenidos se puede apreciar que: (a) El modelo de cielo claro elaborado por ESRA tiene un comportamiento muy cercano a la realidad para la ubicación geográfica Latitud 22.7725 N, longitud 102.6436 E y altitud 2,240 m relacionado con el Campus UAZ Siglo XXI en Zacatecas teniendo una diferencia con los datos obtenidos por la estación solarimétrica Zacatecas 04 con un valor máximo de 0.13 % para el mes de Enero del mismo año.