Leal Iga, Carlos

Leal Iga, Javier

Repositorio Academico Digital UANL

CIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 201512CARLOS LEAL IGA*,  JAVIER LEAL IGA*OPINIÓNEN PROYECTOSEl Sol es la fuente de todas las formas y expresiones deenergía en el mundo. La existencia de los seres vivos nosería posible en ausencia de los organismos fotosintéticos,y éstos no existirían si nuestro planeta no tuviese unaporte continuo y efectivo de radiación solar. Los climasdel mundo obedecen a esta relación Sol-Tierra, así comomuchos fenómenos geológicos y oceánicos.1 La energíasolar resulta del proceso de fusión nuclear que tiene lu-gar en el Sol. De esta energía, el motor que mueve nues-tro medio ambiente, sólo 0.1%  se utiliza en el procesode la fotosíntesis, pero incluso esta cantidad es diez veces* Universidad Autónoma de Nuevo León.Contacto: clealiga@hotmail.com, jlealiga@yahoo.com.mxURBANOSRadiación solarmayor que el consumo de energía del mundo actual.2 Elpoder solar sigue siendo la más abundante fuente re-novable de energía en la Tierra, el aprovechamiento de estafuente de energía se encuentra como el reto de este siglo.3El total de la energía radiante del Sol es notablemen-te constante. De hecho, la emisión de radiación solarcomúnmente se ha denominado la constante solar, peroel término aceptado actualmente es la irradiación solarCIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015 13total (TSI), para tener en cuenta la variabilidad real conel tiempo. Hay ciclos en el número de manchas solares(áreas más frescas, oscuras en el Sol) y la actividad solarde aproximadamente 11 años.La variación en las mediciones de TSI es de ± 0.2%,las cuales se deben al ciclo de manchas solares. Estasvariaciones se supondrían como mínimas, si se consideraque la medición de la radiación en el espacio por losradiómetros más precisos es de ± 0,5%.3La cantidad de radiación que se intercambian entredos objetos depende de su distancia de separación. Laórbita elíptica de la Tierra (excentricidad 0.0167) nosacerca más al Sol en enero y lo aleja más en julio. Estavariación anual se traduce en una variación de la irradia-ción solar de la Tierra de ± 3%. La distancia media delSol a la Tierra es de 149, 598,106 km (92;955,953millas), o 1 AU.La irradiación solar que llega a las capas superiores dela atmósfera se le llama radiación solar extraterrestre(Extraterrestrial Radiation ETR). Según lo medido pormúltiples satélites en los últimos 30 años, la ETR es1,366 ± 7 W/m2 en 1 AU. Según cómputos astronómi-cos, como el software de posición solar del NationalRenewable Energy Laboratory (NREL), la variación dela distancia Tierra-Sol causa una variación típica en laETR de unos 1,415 W/m2, alrededor del 3 de enero; aunos 1,321 W/m2, alrededor del 4 de julio.3La atmósfera terrestre es un filtro constantementevariable para la TSI que alcanza a llegar al suelo. La can-tidad de atmósfera que deben atravesar los fotones sola-res, también denominada la longitud del camino atmosfé-rica o masa de aire (AM), depende de la posición solarrelativa del observador. En esta masa de aire se genera laabsorción de la radiación solar por el ozono, oxígeno,vapor de agua y dióxido de carbono.El ambiente despejado también contiene moléculasgaseosas, polvo, aerosoles, partículas, entre otros, que re-duce la ETR cuando atraviesa la atmósfera.  Esta reduc-ción se debe a absorción (captación de la radiación) ydispersión (esencialmente un tipo complejo de reflexión)de los elementos que componen la atmósfera.3Los rayos de luz del Sol se consideran paralelos parala mayoría de las aplicaciones y se les denomina irradia-ción normal directa (DNI), por lo general se estiman comola cantidad de radiación recibida anualmente por unasuperficie mantenida normal a la radiación entrante y semiden en kWh/m2/año. Esta cantidad es de particularinterés para la construcción de instalaciones solares tér-micas de concentración, las cuales se basan en seguir laposición del Sol.4Se sigue investigando acerca de las propiedades deconstituyentes atmosféricos para estimar su influenciasobre la magnitud de la radiación solar que se encuentraen varios niveles de la atmósfera y a nivel del suelo porCIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 201514medio de mediciones con satélites, modelos matemáti-cos,5 y que efectúan mediciones de los flujos solares anivel del suelo. Las mediciones a nivel del suelo permi-ten obtener un patrón estadístico del comportamientode la atmósfera más preciso.Con el objetivo de evaluar el uso de la radiación solaren proyectos urbanos, se presenta el análisis de la poten-cialidad de aprovechamiento fotovoltaico en un caso deestudio ubicado en la zona de Escobedo, en el  áreametropolitana de Monterrey, Nuevo León.  Determi-nando la cantidad de irradiación solar mensual medida anivel de suelo, y con ella calcular los m2 de panelesfotovoltaicos que se requerirían para sustituir el uso deelectricidad generada con recursos no renovables, en unacasa promedio de un fraccionamiento diseñado con cri-terios bioclimáticos.Descripción del climaMonterrey está geográficamente situado a 25º 40‘ lati-tud Norte y a 100º 18’ longitud Oeste, a una altitud de540 msnm, el clima se clasifica como extremoso,  princi-palmente caluroso y seco, pero con temperaturas tem-pladas 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 de5°C en invierno. La humedad promedio es de 62%, ycon lluvias fuertes durante los meses de julio, agosto,septiembre y octubre. Los vientos dominantes provie-nen del oeste y del sureste; estos últimos del cañón delHuajuco. En el invierno predominan los del norte, queen febrero y marzo soplan con mayor fuerza.6  En lafigura 1 se muestra la estadística de los promedios detemperaturas medias, máximas y mínimas medidas en laestación “Observatorio Monterrey” de la CNA (Comi-sión Nacional del Agua) en el periodo de 1991 a 2002.7Caso de estudioFig. 1. Temperaturas máximas, medias y mínimas  en la Estación Observatoriode la CNA: latitud 25° 44' 01", longitud 100° 18' 17", altitud 515 msnm.Fuente: Elaboración propia.En la figura 2 se aprecia el caso de estudio (figura derombo), ubicado en el Fraccionamiento Vida (Viviendade Diseño Ambiental) en el municipio de General Esco-bedo, en el área metropolitana de Monterrey, NuevoLeón. Este fraccionamiento ganó el Premio Nacional deVivienda 2007, en la categoría desarrollo habitacionalsustentable.8 En éste se aplicaron principalmente crite-rios de bioclimatismo y sistemas de energía solar pasivaen su diseño.Se plantea evaluar la potencialidad de aprovecha-miento de sistemas de energía solar activa, al sustituir eltotal de consumo eléctrico de las viviendas con la energíagenerada por un sistema de paneles solares, consideran-do el promedio mensual de los consumos de electricidadde dos casas en la zona de estudio.Radiación solar en la zonaLas mediciones de radiación solar se tomaron de las dosestaciones del Sistema Integral de Monitoreo Ambientaldel Estado de Nuevo León9 más cercanas a la zona enestudio.La  posición de las  dos estaciones se observa en lafigura 2 (círculos). La estación Norte en Escobedo seubica en el fraccionamiento Santa Luz, y la estación  No-roeste en la colonia San Bernabé.Fig. 2. Localización de las dos estaciones  meteorológicas y el caso de estudio enel área metropolitana de Monterrey, N.L. Fuente: Elaboración propia con baseen datos de SIMA e IVN).9,10CIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015 15Las mediciones se muestran en la figura 3. Como seobserva, el comportamiento de la radiación en las dosestaciones es muy similar, sin embargo, la estación No-roeste capta más radiación en verano que la Norte.En la tabla I se muestran los valores de la radiaciónsolar mensual medida para las dos estaciones considera-das, así como el promedio de las mismas.Consumo eléctrico en la casa promedioPara determinar los consumos de la casa promedio delfraccionamiento se realizó una encuesta que arrojara lospromedios mensuales de los gastos de energía eléctricaen dos casas. Con base en los consumos reportados enlos recibos de la compañía de electricidad, los promediosde consumo por  mes en 2012 se presentan en la tablaII.Cálculo de paneles fotovoltaicosEn el dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos debaja potencia, como las casas habitacionales, un concep-to útil al trabajar con celdas solares es la unidad denomi-nada potencia pico o watt pico (Wp).11 La potencia detodos los paneles fotovoltaicos se especifican en Wp, bajolo que denominan condiciones estándar de prueba (STC,por sus siglas en inglés, Standard Test Conditions).  ElSTC es un estándar de medición que permite la compa-ración de paneles de distintos fabricantes bajo las mis-mas condiciones de prueba.12 Un Wp  representa la po-tencia eléctrica que entrega el panel cuando la irradia-ción sobre éste es de 1000 W/m2 (estándar o norma decertificación), con un espectro o composición similar a laradiación solar, y con una temperatura de 25º.13Fuente: Sistema Integral de Monitoreo Ambiental (SIMA).Tabla I. Radiación solar medida por estacióny promedio.Fig. 3. Mediciones de radiación solar en kW-h/m2/mes 2012 para cada una delas dos estaciones SIMA. Fuente: Sistema Integral de Monitoreo Ambiental(SIMA).Tabla II. Consumo promedio de energíaeléctrica por casa.Fuente: Elaboración propia con base en encuestas de campo.El área en m2 de paneles fotovoltaicos se determina-rá en función del número de paneles necesarios, parasatisfacer  el consumo de energía eléctrica para la casa enestudio y la disponibilidad de radiación solar medidaen las dos estaciones.Así, mediante la ecuación (1) se calculará la energíarequerida en Wp, al considerar lo mencionado en elpárrafo anterior, además de la eficiencia del panel y laspérdidas correspondientes.11-13CIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 201516Donde Er es la energía requerida, en Wp; CoE elconsumo de energía eléctrica promedio en kW-h/mespara la casa en estudio (tabla II); ProR la radiación solarpromedio de las dos estaciones en kW-h/m2/mes (tablaI);  ϕ el factor de pérdidas, Adim y α la eficiencia delpanel.Las pérdidas en el sistema fotovoltaico se calcularánmediante la ecuación (2).Donde ω son las pérdidas por sombras, polvo y su-ciedad = 8%;14,15  θ las pérdidas por envejecimiento delos cables = 3%;14,15  µ las pérdidas por baterías = 15%;14β las pérdidas por el inversor  = 15%.14,15  El panel fotovoltaico propuesto en el presente estu-dio es policristalino con 0.99 m de ancho,  1.74 m delargo, 1.719 m2 de superficie de captación y con capaci-dad de entregar 176 Wp en condiciones estándar SCT.Para este panel se determinó una eficiencia energética αde 0.12, basado en las características dadas por el fabri-cante.El número de paneles requeridos Np se calculará conla ecuación (3).Tabla III. Área y número de paneles requeridos.Donde  Ep es la energía aportada por el panel, enWp = 176Wp.Así, los m2 de panel que se requieren para satisfacer elconsumo en la casa en estudio se calcularán mediante laecuación (4).Donde ATPR es el área total de paneles requeridosen m2 , y Ap el área de un panel, en m2 = 1.719 m2.RESULTADOSLos resultados de calcular el área de paneles necesariospara satisfacer el consumo en la casa en estudio ATPR, semuestran en la tabla III.Suponiendo que la regulación energética guberna-mental permitiera sustituir la energía eléctrica completade una casa habitación por energía solar, se realiza esteejercicio de sustitución.En la tabla III se observa que el mes que requiere máscantidad de metros cuadrados de paneles es noviembre,con 43.45 m2; debido a que en ese mes se presenta unamenor captación de insolación en el año con un altonivel de consumo.La mayoría de los lotes son rectangulares de 6 m defrente por 15 m de largo, con construcción en dos nive-les de 42 m2 por planta, aproximadamente. Con esto semuestra que para instalar el sistema de paneles solares senecesitaría el total de área de losa disponible debiendoagregar aparte 1.45 m2, y significaría la instalación de 25paneles de los citados en el apartado anterior para  cum-plir con la mayor demanda mensual.Además, con base en los resultados del estudio, seestablece que al considerar las condiciones del mes críti-co, noviembre, para la zona de estudio, la proporción deárea de panel necesaria por cada Watt-hora de consumoes  de  0.226 m2/W-h, siendo útil para evaluar la instala-ción de paneles fotovoltaicos para otra casa habitación obien pensando en satisfacer una parte del consumo conpaneles y el resto satisfacerlo con fuentes no renovables.CONCLUSIONESEn el presente trabajo de investigación, el objetivo deevaluar el uso de la radiación solar en proyectos urbanosse realizó con un análisis de la potencialidad de aprove-chamiento fotovoltaico, en un caso específico de estudioCIENCIA UANL / AÑO 18, No. 76, NOVIEMBRE-DICIEMBRE 2015 17ubicado en la zona de Escobedo dentro del área metro-politana de Monterrey, Nuevo León.Esto debido a que la cantidad de irradiación solarque llega al suelo depende de factores propios de cadazona geográfica como la latitud, nubosidad, humedad,polvo y smog entre otros. Además, el aprovechamientodel recurso solar para satisfacer los requerimientos eléc-tricos de una casa habitación a su vez depende de lascondiciones del clima y costumbres de consumo propiasdel lugar geográfico específico.Por lo tanto, la cantidad tan grande de factores invo-lucrados y variabilidad de los mismos, estrechamenterelacionados con las condiciones climáticas, espaciales ysociales de cada zona geográfica, se determinó evaluartodos estos factores al calcular los m2 que se requeriríanpara sustituir el uso de electricidad generada con recur-sos no renovables en una casa para una zona específica.Del estudio se estableció que se requerirían 43.45m2 de paneles solares para satisfacer totalmente el consu-mo 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 usode paneles fotovoltaicos que aprovechen el recurso solaren proyectos urbanos en esa zona, y que permitan unacomparación económica y ambiental, al sustituir parte oel total del consumo generado.Referencias1. 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