Resumen:
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.
Descripción:
In the last decade, the energy industry has been taken a big impact socially, ambiently, and
economically due to the exponential increment in the use of fossil energetics, energy resources
that have several problems due to low energetic efficiency, high-level pollution in storage and
use. With the oscillations of the current price of petroleum and other fossil energetics, glo bal governments have determined the necessity to develop the research of renewable energy
technologies, for global exploitation.
The energetic potential of the Sun has shown as an alternative with a higher level of
adaptation for domestic and industrial use; said potential due to their variable nature de pending on the time of the day, the season of the year, and the atmospheric situation shows
an energetic constant of 1360 W/m2
.
In this section is important to clarify the importance of quantification of the solar radiation
that reaches the terrain surface, the main issue in the exploitation of renewable energetic,
since the beginning of the XX century has approached widely. Several mathematic models
of direct solar radiation have made using different strategies in solar tracking; the main importance of these solar tracking methods consists of the necessity to optimize the amount of
solar radiation in any solar collector system.
This research work proposes the mathematical analysis of the incident solar radiation on
a flat surface through MATLAB programming language of several solar tracking schemes
on clear sky conditions to geographical coordinates and climate conditions of Zacatecas
(Latitude 22.7725 N, length 102.6436 E and altitude of 2,240 m). In this paper, programming
routines have been written for the next tracking schemes:
Continous tracking in the form of heliotrope, tilted with latitude and with azimuthal
angular rotation.
Tilted tracking with latitude.
Continous tracking that rotates in the horizontal axis West-East according to the solar
altitude.
Fixed tracking.
The main purpose is to find an efficient solar tracking method for the study location. This
manner follows with step tracking analysis to 1, 30, 60, 120, and 240 minutes respectively.
Clear sky model developed by the European Solar Radiation Atlas, Linke turbidity factor,
total diffuse radiation by the change of a solid angle, Albedo parameter and, relative optical
mass are concepts that have been worked to develop the analyzed modeling method on this
thesis.
Obtained data of the average monthly diary solar irradiation calculations are shown in
form of tables and graphs to perform the corresponding analysis. Data comparison is ma de for each of the months of the 2019 year, to the different solar tracking schemes. Data
analysis has been work and is shown as monthly percentual values, control case is defined
as the continuous solar tracking heliotrope type with 100 %, due to the natural behavior of
the scheme which provides the maximum value of solar energy possible.
Shown for validation different comparations with the calculated data, regarding the mea sured data by the solar station Zacatecas 04 located at the UAZ Siglo XXI Campus in
Zacatecas in the sixth building of the Universidad Aut´onoma de Zacatecas. In the same way,
were analyzed and compared data obtained with a similar model develop in Mexico City
presented by Ram´ırez in the 2017 year in her bachelors’ degree thesis, at the Facultad de
Ciencias de la UNAM.
Making a comparison of the different cases of solar tracking, the following is observed:
(a) More solar radiation reaches each month, to the surfaces that comply with some scheme
of sun-tracking, with respect to those surfaces that do not move.(b) The surface to which the least collection of solar radiation affects monthly is the horizontal surface. The solar irradiation per month estimated for this case is approximately 25 % below the maximum calculated value corresponding to the monitoring of
heliotrope-type solar collection.
Regarding the comparative analysis of the data obtained, it can be seen that:
(a) The clear sky model prepared by ESRA has a behavior very close to reality for the
geographical location Latitude 22.7725 N, longitude 102.6436 E and altitude 2,240 m
related to the UAZ Siglo XXI Campus in Zacatecas, having a difference with the data
obtained by the station Solarimetric Zacatecas 04 with a maximum value of 0.13 %
for the month of January of the same year.