Los captadores solares
y la sombra



Por
Luis Bérriz Pérez*

 

Un 10% de sombra sobre un panel fotovoltaico puede provocar una disminución de hasta 90% de su capacidad de generación.

 

Es muy difícil encontrar a alguien que dude de la importancia y la necesidad de la utilización de la radiación solar por medio de los captadores solares, ya sea para obtener calor o electricidad.

En Cuba existen las posibilidades, y la necesidad, de instalar más de un millón de metros cuadrados de captadores solares fototérmicos, llamados comúnmente colectores
o calentadores solares, para obtener agua caliente, así como para procesos productivos
y de servicio, e inclusive para el secado de productos agrícolas e industriales, la refrigeración y climatización, la destilación y purificación de agua, y la construcción de cámaras de clima controlado para la producción de semillas y productos agrícolas de alta calidad, durante todo el año.

La práctica ha demostrado que, en nuestro país, una inversión en calentadores solares se puede recuperar en menos de dos años, sólo mediante el ahorro de combustibles fósiles,
o de electricidad.

También se ha demostrado que los paneles solares fotovoltaicos son una solución de fondo económicamente ventajosa para el suministro de electricidad a escuelas, consultorios médicos de la familia, salas de televisión y video, círculos sociales, etc., así como a viviendas de campesinos en lugares aislados, por lo general de difícil acceso y alejados
de la red eléctrica nacional. También son eficaces para el suministro de electricidad a sistemas de abastecimiento de agua, tanto para riego como para uso doméstico.

Haber alcanzado 96% de electrificación es un verdadero logro de la Revolución, pero
el 4% faltante, debido a la lejanía y dispersión de las viviendas, requiere de soluciones especiales. El número de ellas que necesitan electricidad, es de unas cien mil.
En Cuba existen miles de sistemas fotovoltaicos instalados, y también miles de calentadores solares, pero para garantizar el crecimiento acelerado necesario con la calidad requerida es imprescindible la preparación técnica del personal de proyecto, montaje y mantenimiento de dichas instalaciones.

Uno de los errores más observados en las instalaciones solares lo constituyen las sombras evitables sobre los paneles. Es por ello que queremos tratar aquí este tema.

Es muy importante que se conozca que una sombra sobre un colector solar térmico disminuye su capacidad de producción proporcionalmente al área de sombra, pero 10%
de área sombreada sobre un panel fotovoltaico puede disminuir hasta 90% de la producción de electricidad. Además, una pequeña sombra puede provocar puntos calientes en el panel, que pueden disminuir su tiempo de duración. Por eso se debe poner especial atención al proyectar las instalaciones solares y definir correctamente la ubicación de los captadores, sobre todo si son paneles fotovoltaicos.

El efecto negativo de las sombras producidas por el polvo, los excrementos de los pájaros u hojas caídas de los árboles, está en dependencia de las particularidades del entorno
y de la autolimpieza de la instalación, así como de la limpieza sistemática y el mantenimiento de los paneles.

La sombra causada por los obstáculos colindantes sobre los captadores solares, puede determinarse por medio del conocimiento de la trayectoria solar. Para la determinación
de las sombras se utilizan dos métodos:

• Método de la altitud solar. Observar desde un punto los objetos colindantes y determinar las posibles sombras que darían dichos objetos sobre el punto.
• Método de la sombra sobre la superficie horizontal. Observar desde el objeto colindante
el área de sombra que éste produce.

Aunque el primero es el más utilizado y el que más se encuentra en la literatura, por ser
el más adecuado para países de altas latitudes, nosotros preferimos el segundo porque nos da directamente la información del mejor lugar donde podemos situar el captador solar,
y es más adecuado para los países tropicales. Además, brindaremos aquí un método simplificado que puede utilizarse en el propio lugar donde se debe instalar el panel.
Si colocamos una varilla perpendicularmente encima de una superficie plana horizontal, la sombra de la punta de la misma sobre dicha superficie define la trayectoria del Sol en ese día específico. Esta trayectoria es una curva hiperbólica, la cual es más pronunciada en los solsticios (solsticio de verano = día más largo del año; solsticio de invierno = día más corto del año) y llega a ser una recta en los equinoccios (cuando el día dura tanto como la noche).

En la figura 1 se observa que en los meses de verano el Sol sale por el Nordeste y
se pone por el Noroeste; en los de invierno sale por el Sudeste y se pone por el Suroeste, y solamente en los equinoccios el Sol sale por el Este y se pone por el Oeste.


Fig. 1. Trayectoria solar.

Por la posición que tiene la sombra de la punta de la varilla, se puede conocer tanto la hora como el día del año, pues varía en dependencia tanto del día como de la hora. Este es el basamento de los relojes solares, que ahora utilizaremos para determinar la sombra sobre los captadores y su mejor ubicación.

El cenit se define como la intersección de la vertical de un lugar con la esfera celeste,
por encima de la cabeza del observador. El meridiano cenital está definido por el plano
que contiene el cenit y, además, el eje de rotación de la Tierra.

El mediodía se define como el momento cuando el Sol se encuentra en el plano cenital,
o sea, a las doce horas del tiempo solar. El mediodía no tiene necesariamente que coincidir con las 12 del día del horario oficial. Por ejemplo, el mediodía en un 26 de julio
en la ciudad de Pinar del Río es a la 1:42 p.m., hora oficial. Esto se debe a que Cuba se rige por el meridiano de Yateras para determinar la hora oficial. La ciudad de Pinar del Río se encuentra en el meridiano 83°44’, o sea, a una diferencia horaria de 35 minutos
(4 minutos por cada grado de longitud). Además, en el 26 de julio rige el horario
de verano (una hora) y la corrección por la ecuación del tiempo, o sea, por la época del año, es de 7 minutos.

Esto hace una diferencia total de una hora con 42 minutos. Inclusive, en ese mismo día
26 de julio, la diferencia entre el horario solar y el oficial es, en Yateras, de una hora con siete minutos, o sea, su mediodía local es a la una con siete minutos de la tarde.

En la figura 2 se observa la posición del Sol al mediodía, es decir, cuando está en
el plano cenital, en los días de solsticio y de equinoccio, para las ciudades de La Habana, Matanzas, Santiago de Cuba y Guantánamo. Se puede apreciar que como Cuba se encuentra entre las latitudes 20 y 23, la diferencia no es significativa de un lugar a otro,
por lo tanto, un análisis de sombra puede ser el mismo para cualquier lugar del país. Recomendamos seleccionar una latitud de 21,8° para todo el país.



Fig. 2. Posición del Sol al mediodía.

En la figura 2 se aprecia que en el lugar más meridional de la Isla, el Sol se encuentra
al mediodía del solsticio de invierno, con una inclinación de 42° hacia el Sur con relación
al cenit. En el solsticio de verano, el Sol está a 3° inclinado hacia el Norte, y en los equinoccios de primavera y otoño, a 20° inclinado hacia el Sur.

Se aprecia también que en el lugar más septentrional de la isla, el Sol se encuentra al mediodía del solsticio de invierno con una inclinación de 46° hacia el Sur con relación al cenit. En el solsticio de verano, el Sol está en el mismo cenit (este es el día en que uno
no ve su propia sombra al mediodía) y en los equinoccios de primavera y otoño, a 23° inclinado hacia el Sur.

Recordemos también que el equinoccio de primavera es alrededor del 23 de marzo; el solsticio de verano, del 21 de junio; el equinoccio de otoño, del 22 de septiembre, y el solsticio de invierno, del 21 de diciembre.

En el figura 3 se puede apreciar la sombra que daría una varilla de un metro de alto sobre un plano horizontal. Esta varilla está situada en el centro de los ejes Norte-Sur y Este-Oeste. Las diferentes hipérbolas dan la trayectoria solar en el primer día de cada mes, excepto la de más arriba, que simboliza el solsticio de invierno; y la inferior, el de verano. También se aprecian las líneas horarias, o sea, donde caerían las sombras de la punta de la varilla a las diferentes horas del día (hora solar).



Fig. 3. Sombra de una varilla de un metro de alto sobre un plano horizontal.

Ahora bien, en la misma figura 3 puede observarse que si colocamos un panel fotovoltaico que tenga 0,5 m de ancho por 2 m de largo al lado ESTE de la varilla, como se representa en el gráfico, se hace evidente que desde el equinoccio de primavera hasta el de otoño la sombra de la punta de la varilla afecta el panel en las primeras horas de la tarde. Claro, después de que la sombra sale del panel, el mismo sigue afectado por la parte inferior de la varilla. Esto significa que en los meses de verano el panel no va a trabajar con la capacidad de diseño, sino muy por debajo de ésta. Trabajaría bien, sin embargo, en los meses de invierno.

Aunque éste es un método muy exacto, pudiera resultar también muy complejo, pues el trazado de curvas hiperbólicas tiene alguna dificultad. Para facilitar la determinación del área de sombras de un objeto cualquiera, podemos rectificar las hipérbolas en el terreno,
o sea, cambiarlas por líneas rectas, como se puede apreciar en la figura 4.


Fig. 4. Rectificación de las hipérbolas de la trayectoria solar.

Veamos ahora un ejemplo práctico: la instalación de un sistema de bombeo de agua para abastecer las necesidades de 20 casas de campesinos y el riego de un organopónico.
En el espacio donde se quiere instalar el panel, el único objeto de sombra es un tanque
de 1 m ancho, 1 m de alto y 8 m de largo, situado con su eje longitudinal en dirección Norte-Sur, sobre una base de 11 m, lo que presupone una altura total de 12 m (Fig. 5).


Fig. 5. Plano del tanque de agua y su base.

El pozo se encuentra a sólo unos metros del tanque. El panel se montará a 2 m de altura para su protección contra animales, y además, estará cercado.

El tamaño del panel, formado por ocho módulos fotovoltaicos, es de 1,5 m de ancho
por 6 m de largo.

Según estos datos, procedemos de la forma siguiente (sólo se necesitan una brújula y una cinta métrica o lienza) (Fig. 6):


Fig. 6. Plano de la zona de sombra en las horas de mayor radiación solar.


1. En el plano horizontal se traza el área del tanque (1 m x 8 m), con su eje longitudinal en dirección Norte-Sur.
2. A una distancia de una quinta parte de la altura máxima del tanque sobre el panel
(12 m – 2 m = 10 m; y 10 m / 5 = 2 m), hacia el Sur, se traza una recta perpendicular al eje del tanque que llegue desde el extremo Este del tanque hacia el Este, con una longitud igual a la altura del tanque sobre el panel.
3. Lo mismo se hace hacia el Oeste, desde el extremo Oeste del tanque.
4. En el lado Norte del tanque se traza la misma recta de Este a Oeste, pero ahora a una distancia del tanque igual a la altura sobre el panel, o sea, a 10 m.
5. Se cierra el rectángulo. Este rectángulo (sombreado en la figura 6) es muy importante, pues si el panel fotovoltaico se sitúa dentro de él, le dará la sombra del tanque y(o) de la base en una determinada época del año y a determinadas horas de la mañana o de la tarde, entre las 9 y las 15 horas, según esté hacia el Oeste o hacia el Este, o sea, en el horario donde más debe aprovecharse el Sol.
6. Finalmente, se trazan las rectas inclinadas con 21,8° desde cada vértice del rectángulo, como se puede apreciar en la figura 7.


Fig. 7. Determinación del ángulo de 21,8°.

De esta forma se obtiene el área de sombra posible de un objeto sobre
el plano horizontal (Fig. 8).


Fig. 8. Método para la determinación del área de sombra posible de un objeto
sobre el plano horizontal, en dependencia de la hora y del día del año.

Entre estas líneas (zonas A y B) tampoco debe situarse el panel, ya que de hacerlo, le dará sombra en alguna época antes de las 9 de la mañana, o después de las 3 de la tarde (hora solar).

Con este plano de la figura 8 se puede seleccionar el lugar más adecuado para la colocación del panel. Si el panel tiene 1,5 x 6 m, puede colocarse perfectamente delante del rectángulo en su lado Sur, como se puede apreciar en la figura, tanto en el centro, como desplazado un poco hacia el Este o hacia el Oeste.

Conclusiones y recomendaciones
• En toda instalación de captadores solares es muy importante la determinación correcta de su ubicación, para evitar sombras indeseables que disminuyan su capacidad de diseño.
• Especial importancia debe darse cuando estos captadores están formados por módulos fotovoltaicos para la producción de electricidad, pues éstos son muy sensibles a la sombra. Un 10% de sombra sobre un panel fotovoltaico puede provocar una disminución de hasta 90% de su capacidad de generación. Además, una pequeña sombra sobre un panel fotovoltaico puede producir puntos calientes que disminuyan su tiempo útil.
• Se recomienda que el estudio de las sombras se realice por el «Método de la sombra sobre la superficie horizontal», aunque también pudiera utilizarse el «Método de la altitud solar».
• Se recomienda, además, utilizar para todo el país el dato de una latitud de 21,8°, ya que el error que se comete con esta suposición no es significativo.
• Se recomienda utilizar, para la determinación del área de sombras, el método simplificado expuesto en este trabajo, por su sencillez y valor práctico.
• Se recomienda, por último, que independientemente del método que se use, no se ubique ningún captador solar, especialmente si es fotovoltaico, sin hacer un análisis de sombra.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Presidente de CUBASOLAR.
Autor del libro Secadores solares para productos agropecuarios e industriales y
coautor del Manual para el cálculo y diseño de calentadores solares.
tel.: (537) 6405260.
e-mail: berriz@cubaenergia.cu