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repositorio.uptc@uptc.edu.corepositorio.uptc@uptc.edu.co ISSN EN LINEA Con formato: Fuente: Cursiva CELSO ANÁLISIS COMPARATIVO ENTRE LA IRRADIANCIA TERRESTRE Y EXTRATERRESTRE EN LA CIUDAD DE TUNJA COMPARATIVE ANALYSIS BETWEEN THE TERRESTRIAL AND EXTRATERRESTRIAL IRRADIANCE IN THE TUNJA CITY Carlos R. Batista-Rodrígueza, Rosa I. Urquiza-Salgadob a Universidad Antonio Nariño, Tunja, Boyacá, Colombia, carlos.batista@uan.edu.co b Universidad de Holguín, Holguín, Holguín, Cuba, rurquiza@uho.edu.cu 15 Resumen— En el estudio de la radiación solar un parámetro fundamental es la magnitud de la irradiancia que llega a la superficie terrestre y establecer un nivel de comparación con la irradiancia extraterrestre. Con el objetivo de conocer dicha relación en la ciudad de Tunja, se realizaron mediciones de la irradiancia, en diferentes instantes de tiempo elegidos al azar. En base a las medic iones y el cálculo realizado de la irradiancia extraterrestre se realizó la comparación entre ambas magnitudes, llegándose a la conclusión que en la ciudad de Tunja existen instantes donde la irradiancia terrestre alcanza y sobrepasa la irradiancia extraterrestre, mientras que en otros momentos está muy por debajo de los valores calculados, por lo que la irradiancia tiene una alta dispersión respecto a su valor medio, lo que influye significativamente en la variación de voltaje de los paneles solares. Palabras clave— dispersión, extraterrestre, irradiancia, terrestre. Abstract— In the study of solar radiation, a main parameter is the irradiance magnitude that terrestrial surface receives and to establish a comparative analysis with the extraterrestrial irradiance. With aim to know this rate in Tunja city, it was performanced a measurement of irradiance at different random times. On base of measurements and calculus of extraterrestrial irradiance done, it was made a comparative analysis between both magnitudes. It took place to the conclusion: in the Tunja city there are times when the terrestrial irradiance reaches up extraterrestrial irradiance, while in others instants the relation is fully opponent, In the others words, the irradiance in Tunja city has a high dispersion with respect to average value, this situation has huge influence in variation output voltage of photovoltaic modules. Keywords— scattering, extraterrestrial, irradiance, terrestrial. I. INTRODUCCIÓN Hasta el presente, el aprovechamiento relativo de fuentes renovables de energía solo se ha logrado en los países de mayor desarrollo científico-técnico, quienes disponen de tecnologías de punta que facilitan convertir la energía Tabla con formato Con formato: Portugués (Brasil) Con formato: Español (Colombia) Con formato: Español (Colombia) Con formato: Izquierda Con formato: Normal, Punto de tabulación: No en 1,75 cm mailto:carlos.batista@uan.edu.co mailto:rurquiza@uho.edu.cu ISSN EN LINEA Con formato: Fuente: Cursiva eólica y solar en electricidad; así como exportar las maquinarias e instalaciones a los países en vías de desarrollo (Dirix et al., 2015). A ello se suma que el período de recuperación de las inversiones es prolongado, dejando al final bajos márgenes de utilidad en su operación. Por tales razones y aunque resulte contradictorio, países que no disponen de recursos petroleros continúan con la operación de grandes plantas termoeléctricas. A su vez, otros estados que sí poseen dentro de sus recursos naturales combustibles fósiles mantienen sectores de su población sin cobertura eléctrica, por dificultades de diversa índole para conexión a las redes de transmisión existentes; situación en general bastante común para países en vías de desarrollo (Ducas and Ballesteros, 2015). En todos los casos hay asociadas múltiples y perjudiciales consecuencias sociales, ambientales y políticas para dichos países. Conocer la potencialidad de la radiación solar en una determinado lugar permite establecer los planes de producción de energía eléctrica a partir de esta fuente inagotable de energía, (Rodríguez et al., 2015), (Besharat et al., 2013), debido a que la potencia nominal (Pn) de un generador fotovoltaico es calculada a partir del coeficiente de irradiación horaria I = 1000 Wh/m2 y para temperatura de celdas que se mantienen alrededor de 25oC (Horn, 2001). Para el uso de otras tecnologías concentradoras de la energía solar también es indispensable conocer la cantidad de energía que llega a la superficie de la tierra y cuál es su proporción de radiación directa y difusa (Soubdhan et al., 2008). Teniendo en cuenta las políticas actuales de protección del medio ambiente en el país y en particular en el departamento de Boyacá, donde se trabaja en mitigar los efectos negativos sobre los ecosistemas de la región, se planteó como objetivo de la investigación: realizar un análisis comparativo entre la irradiancia que llega sobre la superficie terrestre en la ciudad de Tunja y la irradiancia extraterrestre, lo que permite tener una visión del potencial de energía solar disponible en estas coordenadas geográficas. Para ello se realizaron mediciones de irradiancia con un solarímetro, en diferentes instantes de tiempo; a partir de dichos datos y utilizando ecuaciones conocidas se procedió a calcular la irradiancia extraterrestre y realizar los análisis necesarios. Es conocido que la densidad media de radiación solar que llega a la parte alta de la atmósfera es de Gsc= 1367 W/m 2 (Chen, 2015), (Duffie and Beckman, 2013), conocida como la constante solar. Sin embargo, debido a los fenómenos de reflexión, absorción y transmitancia atmosférica y bajo condiciones razonables de cielo despejado el valor de irradiancia promedio que se obtiene en la superficie terrestre es G = 1000W/m2 y es el valor de la unidad “un sol”. Para el análisis comparativo entre la irradiancia terrestre (la que llega a la superficie de la tierra) y extraterrestre (la energía que llega a la parte alta de la atmósfera), se calculó la irradiancia extraterrestre por la expresión (1): (1) donde: G0 – irradiancia instantánea entre el momento de salida (TSC, time sunrise) y de puesta del sol (TSS, time sunset); GSC – constante solar, de magnitud 1367 W/m2 = 4.921 MJ/m2; n – día consecutivo el año, se calcula por (2); – declinación solar, se calcula por (3); – ángulo horario solar, se calcula por (5); – latitud. Las expresiones auxiliares mencionadas en la leyenda anterior aparecen a continuación. - Para calcular n: (2) M – número del mes; K – indicador de característica del año: si no es bisiesto, toma valor 1; si es bisiesto, toma valor 2; D – número del día del mes; INT – función que indica que se tomará la parte entera del resultado de las operaciones indicadas. - Para calcular : (3) – ángulo de oblicuidad de la Tierra, igual a 23,44; (4) ISSN EN LINEA Con formato: Fuente: Cursiva - Para calcular : (5) Nótese que a partir de (5) en la mañana se obtienen resultados negativos, mientras que en la tarde los cálculos arrojan valores positivos. La diferencia de signo depende de que el ángulo horario solar se mida en sentido horario o anti-horario (a partir del ángulo nulo a mediodía), respectivamente. II. DESARROLLO DEL TRABAJO Para la realización del estudio se contó con un piranómetro de la marca DELTA OHM, modelo LP PYRA 05. Fue colocado a una altura de 1.25 m sobre la superficie terrestre y nivelado horizontalmente, en el área que ocupa la Universidad Antonio Nariño, sede Tunja,situada a 5.553 grados latitud Norte y 73.367 grados de longitud Oeste. Las mediciones se registraron en un multímetro marca FLUKE, modelo 8548 A, con precisión de micro voltios milésimas de milivoltios (microvoltios). Para el procesamiento y cálculos de los datos se utilizó el paquete de Microsoft Office, específicamente la base de datos de ACCESS, en combinación con las hojas de cálculo de EXCEL. La metodología de trabajo constó de los siguientes pasos: 1. Se realizaron y registraron las mediciones de irradiancia instantánea de forma aleatoria, con intervalos de un minuto, para diferentes momentos del día durante dos semanas. 2. Se calculó para cada instante la irradiancia extraterrestre por (1). 3. Se calculó la diferencia entre ambas magnitudes. 4. Se calculó el valor medio de la irradiancia medida y la dispersión de los valores respecto al valor medio. 5. Se procedió a graficar los resultados. III. DISCUSIÓN Entre el 30 de mayo y el 14 de junio de 2017, en el período comprendido entre 6 am y 6 pm fueron realizadas en total 1485 mediciones, con diferencia de un minuto entre dos consecutivas, para diferentes instantes de tiempo. Una muestra de los datos registrados y calculados aparece en la Tabla 1. Se puede observar que la irradiancia que llega a la ciudad de Tunja no alcanza el valor de la irradiancia en la parte superior de la atmósfera, lo cual refleja la diferencia en la columna 5 y el porcentaje calculado en la columna 6. Esta situación es normal, debido a la nubosidad y dispersión de los rayos solares cuando atraviesan la atmósfera terrestre. Es necesario destacar que en un solo registro se apreció una irradiancia superior al 100%. En particular, a las 12:09 PM del 13 de junio hubo un instante de cielo descubierto, sin interferencia para la radiación solar; aunque un minuto más tarde el parámetro había caído a menos del 50%. La alta variabilidad de los datos en el intervalo de un minuto, como puede apreciarse, fue permanente durante la etapa, lo que afecta la calidad del “combustible” considerado para la producción de energía. Dicho de otra forma, los bruscos cambios en la irradiancia, registrada en distintos instantes de tiempo con intervalo de un minuto durante dos semanas, inevitablemente provocarían fluctuaciones en el voltaje de los paneles solares o de cualquier otra tecnología solar que se instale en la ciudad con el fin de producir energía eléctrica. Tabla 1. Registro de mediciones y valores calculados de irradiancia. Instante ti (día-hora) G(ti) (W/m2) G0(ti) (W/m2) G (W/m2) Ratio (%) 1 2 3 4 5 Mayo 30 9:57 am 1027,3 1123,3 -96 91 9:58 am 403,1 1126,0 -722,9 36 11:37 am 1187,9 1292,8 -104,9 92 11:38 am 316,1 1293,3 -977,2 24 Mayo 31 9:17 am 701,97 1026,07 -324,1 68 9:18 am 187,55 1029,72 -842,2 18 Junio 1 7:46 am 253,99 632,03 -378,0 40 7:47 am 544,42 637,11 -92,7 85 Junio 2 12:06 pm 1112,98 1328,3 -215,3 84 12:07 pm 405,99 1328,1 -922,1 31 Junio 3 8:11 am 687,85 718,93 -31,1 96 8:12 am 381,40 723,46 -342,1 53 Junio 5 10:34 am 823,77 1194,45 -370,7 69 10:35 am 379,80 1196,40 -816,6 32 ISSN EN LINEA Con formato: Fuente: Cursiva Junio 6 10:39 am 934,70 1241,21 -306,5 75 10:40 am 379,42 1243,12 -863,7 31 Junio 7 1:34 pm 487,40 1239,42 -752,0 39 1:35 pm 721,41 1237,15 -515,7 58 Junio 9 9:48 am 231,59 1096,62 -865,0 21 9:49 am 1049,28 1099,57 -50,3 95 Junio 10 11:13 am 909,95 1239,00 -329,1 73 11:14 am 342,90 1240,07 -897,2 28 Junio 12 10:54 am 569,32 1249,34 -680,0 46 10:55 am 714,20 1250,88 -536,7 57 Junio 13 12:09 pm 1387,78 1335,94 51,8 104 12:10 pm 608,58 1335,71 -727,1 46 Junio 14 1:45 pm 1109,34 1209,01 -99,7 92 1:46 pm 622,40 1206,52 -584,1 52 Valor medio 660,09 En la Fig. 1 se muestran los valores de la irradiancia, registrada para diferentes instantes de tiempo durante una quincena en la ciudad de Tunja. Como ya fue comentado antes, puede apreciarse su gran inestabilidad en el transcurso de un minuto, es decir, la alta dispersión respecto a su valor medio (que fue de 660,09 W/m2). Tal variabilidad se puede tomar como índice de calidad de la radiación solar para los días medidos. Figura 1. Variabilidad de la irradiancia en la ciudad de Tunja. Fuente: Autores. IV. CONCLUSIONES Con la metodología aplicada se pudo realizar un análisis comparativo entre la radiación solar que llega a la superficie de la ciudad de Tunja y la radiación que llega a la parte alta de la atmósfera, observándose que los valores medidos no alcanzan los calculados, excepto en un instante de tiempo. Se puede concluir que la alta variabilidad de la irradiancia no es un buen parámetro de calidad de la radiación solar, por lo que la producción de energía eléctrica con el empleo de tecnologías solares podría tener una alta fluctuación en el área en que se realizaron las mediciones, concretamente en la Universidad Antonio Nariño, sede Tunja. AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen a la Universidad Antonio Nariño el apoyo brindado para el desarrollo de esta investigación, derivada del proyecto con financiamiento interno “Estudio y rediseño de un sistema de calefacción solar de agua”, código 201 6209. REFERENCIAS Besharat, F., Dehghan A. and Faghih, A. (2013). Empirical models for estimating global solar radiation: A review and case study. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 21 (2013), pp. 798–821. Chen, J. (2015). Physic of Solar Energy. New Jersey, USA: JOHN WILEY & SONS, INC. Dirix, J., Peeters, W. and Sterckx, S. (2015). Is the Clean Development Mechanism delivering benefits to the poorest communities in the developing world ? A critical evaluation and proposals for reform. In Environ. Dev. Sustain., vol. 18, no. 3, pp. 839–855. Ducas, A. and Ballesteros, A. (2015). Clean energy access in developing countries: perspectives on policy and ISSN EN LINEA Con formato: Fuente: Cursiva regulation. World Resources Institute Issue Brief, Washington, DC, Tech. rep. 978-1-56973-865-8, Jun. Duffie, J., and Beckman, W. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes. Solar Energy Laboratory of University os Wisconsin-Madison. New Jersey, USA: JOHN WILEY & SONS, INC. Horn, R. (2001). Dimensionamiento de un sistema FV (parte 1). En Memorias de XIX Simposio Peruano de Energía Solar Puno, 14-17 noviembre, pp. 14–17. Rodríguez, D., Hernández, J. y Simbaqueva, O. (2015). Análisis estadístico del índice de claridad atmosférica para la ciudad de Bogotá. Revista Científica, 21, 65-70. Doi:10.14483/ udistrital. jour. RC.2015.21.a6. Soubdhan, T., Emilion, R. and Rudy Calif, R. (2008). Classication of daily solar radiation distributions using a mixture of Dirichlet distributions. Solar Energy. Solar Energy, Elsevier, 2009, 83 (7), pp.1056-1063. <10.1016/j.solener.2009.01.010>
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