ES2423359B2 - Procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar - Google Patents

Procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar Download PDF

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Abstract

Un procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera presenta las etapas siguientes: medición de la intensidad de la radiación con un sensor de luz (1) durante un intervalo de tiempo predeterminado; conducción de una banda de sombra (3) en el intervalo de tiempo predeterminado a través de la región sensora del sensor de luz (1), sombreando la banda de sombra (3) al menos una vez la radiación directa del sol; análisis del desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación directa, determinándose el desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra (3) se aproxima a la altura del sol (5) y determinación de la intensidad de la radiación circunsolar a partir del desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra (3) se aproxima a la altura del sol (5).

Description

DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera.
En las centrales solares térmicas se proyecta el perfil espectral de radiación sobre una estructura de absorción mediante concentradores ópticos, y entonces se usa para la generación de niveles de temperatura utilizables para los procesos de centrales térmicas. El perfil espectral de radiación solar puede variar fuertemente debido a la dispersión de la luz solar en la atmósfera terrestre. Un perfil espectral de radiación ancho se corresponde con una proyección ancha del sol en el plano de absorción, de modo que partes de la radiación no aciertan en la verdadera estructura de absorción.
La fracción de la radiación que procede de la región directamente alrededor del disco solar, la radiación circunsolar, en la radiación directa es la relación circunsolar. La relación circunsolar puede alcanzar a veces un nivel relevante para las centrales solares térmicas. Las mediciones habituales de la radiación directa contienen no sólo la luz que incide del disco solar, sino también la radiación circunsolar hasta una distancia angular que es aproximadamente diez veces mayor que el disco solar. Con los métodos de medición convencionales de la radiación directa no se puede confirmar el perfil espectral de radiación solar, de modo que sólo se puede determinar con una exactitud reducida la oferta de radiación que se puede usar para diferentes tipos de centrales.
Una medición del perfil espectral de radiación solar resulta interesante también en la energía fotovoltaica de concentración y para la determinación de las propiedades atmosféricas.
En un método conocido, mediante mediciones adicionales se determina de forma exacta la relación circunsolar que se incluye en el análisis del rendimiento de las centrales solares térmicas.
Se conocen los denominados sensores de radiación con banda de sombra giratoria que se utilizan para la medición de la radiación global horizontal y la radiación difusa horizontal. Instrumentos semejantes se utilizan con frecuencia para la planificación de las centrales solares térmicas. También se conocen bajo las designaciones de radiómetros con banda de sombra giratoria y piranómetros con banda de sombra giratoria.
Para la medición de la relación circunsolar se han desarrollado diferentes instrumentos. Los instrumentos para la medición de la relación circunsolar poseen la mayoría de las veces una estructura complicada y son costosos, de modo que es deseable determinar la relación circunsolar con sensores ya presentes para la planificación de centrales solares térmicas.
Por ello el objetivo de la presente invención es poner a disposición un procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera, que sólo requiera un pequeño coste técnico en dispositivos y por consiguiente sea económico.
La invención está definida por el procedimiento según la reivindicación 1.
El procedimiento según la invención para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera prevé las etapas siguientes:
-medición de la intensidad de la radiación con un sensor de luz durante un intervalo de tiempo predeterminado; -conducción de una banda de sombra en el intervalo de tiempo predeterminado a través de la región sensora del sensor de luz, sombreando la banda de sombra al menos una vez la radiación directa del sol; -análisis del desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación directa, determinándose el desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra se aproxima a la altura del sol; -determinación de la intensidad de la radiación circunsolar a partir del desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra se aproxima a la altura del sol.
En el marco de esta invención por altura del sol se entiende la unión directa entre el sensor de luz y el sol.
El procedimiento según la invención tiene la ventaja de que la intensidad de la radiación circunsolar se puede determinar de una manera muy sencilla, pudiéndose utilizar aparatos de medición presentes, como por ejemplo un sensor de radiación con banda de sombra giratoria. El procedimiento según la invención permite incluso que la intensidad de la radiación circunsolar se determine por mediciones existentes, de modo que no se deban realizar procesos de medición adicionales.
Está previsto preferentemente que en el procedimiento según la invención se utilice un sensor de radiación con banda de sombra giratoria. Éste puede ser, por ejemplo, un radiómetro con banda de sombra giratoria o un pirómetro con banda de sombra giratoria.
Instrumentos semejantes ya están presentes la mayoría de las veces para la medición de la radiación global horizontal y radiación difusa horizontal para la planificación de centrales solares térmicas, de modo que con el equipamiento presente, y por consiguiente con pequeño coste técnico en dispositivos, se puede determinar la intensidad de la radiación circunsolar.
Puede estar previsto que la banda de sombra se pueda conducir de forma continua o discontinua. Cuando se utiliza una banda de sombra conducida de forma continua el sensor de luz debe poseer un tiempo de respuesta breve, de modo que la intensidad de la luz se mide en una alta frecuencia y se genera un desarrollo de la señal a partir de una multiplicidad de puntos de medición.
En un ejemplo de realización preferido de la invención se prevé que con el análisis del desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación directa se determine respectivamente un valor de intensidad antes y después de la región del sombreado de la radiación. Mediante el valor de intensidad se puede calcular la intensidad de la radiación circunsolar.
A este respecto puede estar previsto que se utilice la función de penumbra de la posición de la banda de sombra que pertenece respectivamente a los valores de intensidad, a fin de determinar a partir de los valores de intensidad la intensidad de la radiación circunsolar. Para sensores de radiación con banda de sombra giratoria se puede calcular la función de penumbra de modo que la intensidad de la radiación circunsolar se puede determinar con la función de penumbra a partir de los valores de intensidad.
En un ejemplo de realización de la invención está previsto que los valores de intensidad sean los valores de hombro que se corrigen con un valor de corrección dependiente de la altura del sol.
El desarrollo de la señal de la intensidad de luz cuando la banda de sombra se aproxima a la altura del sol hace descender fuertemente el valor de intensidad. Este desarrollo de la señal se denomina también “burst (sobreimpulso)”. Para un sobreimpulso se pueden determinar los valores de hombro que se sitúan antes y después del mínimo del sobreimpulso. Los valores de hombro se pueden corregir luego para la formación de los valores de intensidad con un valor de corrección dependiente de la altura del sol. Mediante el uso de valores de hombro corregidos es posible la determinación de los valores de intensidad de manera especialmente sencilla.
El procedimiento según la invención puede prever que se determine la radiación directa, constituyéndose a partir de la radiación circunsolar determinada anteriormente y de la radiación directa de la relación circunsolar.
La invención prevé además que el perfil espectral de radiación solar se pueda determinar de la relación circunsolar.
A continuación se explica más en detalle el procedimiento según la invención en referencia a las figuras siguientes.
Muestran:
Figura 1 una representación esquemática de una banda de sombra en relación a un sensor de luz y
Figura 2 un desarrollo de señal de la intensidad de luz a modo de ejemplo.
En el procedimiento según la invención para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera se pueden utilizar, por ejemplo, sensores con banda de sombra giratoria. Sensores semejantes presentan habitualmente un sensor de luz 1 alrededor del que rota una banda de sombra 3. La relación entre sensor de luz 1 y banda de sombra 3 está representada de forma esquemática en la fig. 1. Cuando se alcanza la altura del sol 5 que se da por la unión directa entre el sensor de luz 1 y el sol, la banda de luz 3 genera una sombra 7 que cae sobre el sensor de luz 1. Cuando la banda de sombra 3 está fuera de la región sensora el sensor 1 mide la radiación global. La representación esquemática en la fig. 1 sólo tiene una finalidad de clarificación y está representada de forma muy simplificada.
En el procedimiento según la invención con el sensor de luz 1 se mide en primer lugar la intensidad de la radiación solar durante un intervalo de tiempo predeterminado. En este caso la banda de sombra 3 se conduce a través de la región sensora del sensor de luz 1, sombreando la banda de sombra 3 al menos una vez la radiación directa del sol. El sombreado de la radiación directa del sol está representado en la fig. 1 de forma esquemática por la sombra 7.
A continuación se analiza el desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación solar. Un desarrollo de la señal correspondiente está representado de forma esquemática en la fig. 2. En este caso el desarrollo determina la intensidad de la señal cuando la banda de sombra 3 se aproxima a la altura del sol 5. A continuación se determina la intensidad de la radiación circunsolar, determinada a partir del desarrollo y de la intensidad de la señal cuando la banda de sombra 3 se aproxima a la altura del sol 5.
Para una explicación más detallada, el procedimiento según la invención se explica a modo de ejemplo mediante el desarrollo de la señal representado en la fig. 2. El desarrollo de la señal representado en la fig. 2 muestra la intensidad de luz medida gracias al sensor de luz 1, aplicada sobre el número del punto de medición, lo que se puede equiparar a un desarrollo temporal. En el desarrollo de la señal es llamativa una fuerte caída de la intensidad en la región del punto de medición 700 que se produce por el sombreado del sensor de luz 1 mediante la banda de sombra 3. Esta señal se denomina sobreimpulso que posee un mínimo 11. Mediante un análisis de la curva se pueden determinar diferentes valores característicos. La línea superior muestra la radiación global horizontal 13. La línea inferior marca la radiación difusa horizontal 15. Además, están marcados un valor de hombro 17 izquierdo un valor de hombro 19 derecho. La línea entre los dos valores de hombro 17, 19 es su valor medio. La distancia entre el valor medio de los valores de hombro 17, 19 y la radiación global horizontal 13 se le añade al mínimo del sobreimpulso obtener la radiación difusa horizontal 15.
Para la determinación de los valores de hombro 17, 19 se determina la anchura de la caída de señal del sobreimpulso. Como anchura de la caída de señal se define el número de puntos de medición entre el mínimo y el máximo del gradiente del sobreimpulso. Además, el centro de la caída de señal se define como el número de puntos de medición en el medio entre el mínimo y el máximo del gradiente del sobreimpulso. Los valores de hombro 17, 19 son por consiguiente los valores de intensidad dados en los puntos de medición a una distancia de puntos de medición igual a la anchura de la caída de señal hacia la izquierda y derecha del mínimo 11 de la caída de señal.
El procedimiento según la invención puede prever que con el análisis del desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación directa se determinen valores de intensidad que se encuentren antes y después de la región del sombreado de la radiación directa. Para ello se pueden utilizar los valores de hombro, corrigiéndose preferentemente los valores de hombro con un valor de corrección dependiente de la altura del sol. En un ejemplo de realización del procedimiento según la invención los valores de hombro se reducen en promedio en un 0,2%.
Durante la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar a partir del desarrollo de la intensidad de la señal cuando la banda de sombra 3 se aproxima a la altura del sol 5 se puede determinar en una primera etapa la diferencia Δ entre la radiación global horizontal 13 y los valores de intensidad (valores de hombro reducidos). Estos valores representan la intensidad total de la luz que se intercepta por la banda de sombra 3 antes de que la luz alcance el sensor de luz 1. En este valor están contenidas también partes de la radiación circunsolar pero también una parte de la radiación difusa horizontal 15. La reducción de los valores de hombro está condicionada porque los valores de hombro se sitúen demasiado lejos fuera del disco solar.
El sensor de radiación con banda de sombra giratoria utilizado para el procedimiento según la invención posee diferentes funciones de penumbra para diferentes posiciones de la banda de sombra.
La radiación difusa bloqueada por la banda de sombra 3 se deduce de Δ. La banda de sombra recubre desde el centro del sensor de luz 1 aproximadamente +/-2,5º. Como radiación difusa bloqueada debe entenderse la radiación que no incide directamente del sol o de la región circunsolar y procede de puntos en el cielo para los que la función de penumbra, en la posición de la banda de sombra durante la medición de los valores de hombro, adopta valores mayores de cero.
Ya que el haz de luz del cielo cerca del sol es el mayor, la sustracción de la radiación difusa se realiza como sigue:
imagen1
designando DHI la radiación difusa horizontal 15 y SZA al ángulo cenital del sol en grados. El ángulo cenital SZA se incluye en la ecuación anterior ya que la radiación circunsolar contribuye más intensamente a la radiación difusa bloqueada cuando incide con un ángulo más inclinado sobre el sensor.
El procedimiento según la invención puede prever a continuación que para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar en el plano sensor horizontal se multiplique la diferencia Δ’ en primer lugar con un factor constante en el tiempo de 19,92. Este factor compensa la supresión sólo parcial de la radiación circunsolar. La banda de sombra 3 no cubre toda la región circunsolar anular durante la medición de los valores de hombro 17, 19, sino sólo una banda de la región circunsolar en sólo un lado. El factor 19, 92 se obtiene del valor medio de la función de penumbra para diferentes posiciones de la banda de sombra (salida del sol hasta mediodía solar). Naturalmente es posible que el factor constante en el tiempo adopte otro valor en otra función de penumbra.
La intensidad calculada de la radiación circunsolar en el plano sensor de la luz se divide ahora por la diferencia determinada a partir del desarrollo de la señal de la radiación global horizontal 13 y de la radiación difusa horizontal 15 a fin de obtener una relación circunsolar provisional.
La relación circunsolar se puede determinar ahora todavía más exactamente corrigiéndose las relaciones circunsolares provisionales mediante la respectiva masa de aire correspondiente. La masa de aire es proporcional al recorrido de la radiación directa en la atmósfera hasta la tierra y 1 cuando el sol está en el cenit. La variación de la función de penumbra en diferentes posiciones de la banda de sombra provoca que la caída de señal en el sobreimpulso 11 con alturas del sol 5 bajas sea más ancha que con alturas del sol 5 elevadas. De este modo los valores de hombro 17, 19 contienen al
medio día menos radiación circunsolar que los valores de hombro 17, 19 que se miden por las tardes o por las mañanas. El procedimiento según la invención permite por consiguiente, gracias a una medición mediante un sensor de radiación con banda de sombra giratoria, obtener la intensidad de la radiación circunsolar así como la relación circunsolar y el perfil espectral de radiación solar. La medición se puede realizar por consiguiente con instrumentos ya presentes en una 5 central solar o para su planificación, pudiéndose realizar la determinación de los valores deseados incluso por mediciones ya realizadas. El procedimiento según la invención puede utilizar en este caso diferentes instrumentos de medición. Por ejemplo, se pueden utilizar sensores de radiación con banda de sombra giratoria, es decir, tanto piranómetros con banda de sombra giratoria como también radiómetros con banda de sombra giratoria. La banda de sombra 3 se puede girar en este caso de forma continua o también discontinua. En un instrumento con banda de sombra
10 que no gira de forma continua se miden al menos tres intensidades. Una medición se realiza con la banda de sombra fuera del campo visual del sensor de luz, otra intensidad se mide con la banda de sombra centrada delante del sol y una tercera intensidad se determina cuando la banda de sombra está directamente junto al sol. En el último punto de medición se determina aproximadamente la radiación del cielo bloqueada por la banda de sombra.
15

Claims (5)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Procedimiento para la determinación de la intensidad de la radiación circunsolar con alturas del sol cualesquiera con las etapas siguientes:
    5 -medición de la intensidad de la radiación solar con un sensor de luz (1) durante un intervalo de tiempo predeterminado; -conducción de una banda de sombra (3) en el intervalo de tiempo predeterminado a través de la región sensora del sensor de luz (1), sombreando la banda de sombra (3) al menos una vez la radiación directa del sol;
    10 -análisis del desarrollo de la señal que se origina por el sombreado de la radiación directa, determinándose el desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra (3) se aproxima a la altura del sol (5); -determinación de la intensidad de la radiación circunsolar a partir del desarrollo y la intensidad de la señal cuando la banda de sombra (3) se aproxima a la altura del sol (5)
    15 y porque se utiliza un sensor de radiación con banda de sombra giratoria.
  2. 2.-Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la banda de sombra se conduce de forma continua o discontinua.
    20 3.-Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque con el análisis del desarrollo de la señal originado por el sombreado de la radiación directa se determina respectivamente una intensidad antes y después de la región del sombreado de la radiación directa.
  3. 4.-Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la función de penumbra de las posiciones de la banda 25 de sombra que pertenecen respectivamente a los valores de intensidad se utiliza para determinar la intensidad de la radiación circunsolar a partir de los valores de intensidad.
  4. 5.-Procedimiento según la reivindicación 3 ó 4, caracterizado porque los valores de intensidad son valores de hombro que se corrigen con un valor de corrección dependiente de la altura del sol (5).
    30 6.-Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque se determina la radiación directa constituyéndose la relación circunsolar a partir de la radiación circunsolar determinada y la radiación directa.
  5. 7.-Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque el perfil espectral de radiación solar se establece por la 35 relación circunsolar.
    6
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