Modelo empírico para estimar la exergía de la radiación solar

Abstract

Las tecnologías solares están en un constante desarrollo, que empuja más allá los límites de conversión de energía. Esta carrera por tener equipos cada vez más eficientes, tiene una frontera que se refiere al límite máximo de conversión de energía, la cual es denominada como exergía. La exergía es una propiedad termofísica y se define como la cuantificación del máximo trabajo útil que puede ser extraído de un sistema. La exergía de la radiación solar es un tema de estudio que se encuentra aún en desarrollo, donde análisis de la exergía radiativa realizados para Chile no se han hecho hasta la fecha. De esta forma, en este trabajo se propone un modelo empírico que logre estimar la exergía de la radiación solar con datos meteorológicos cada un minuto de la ciudad de Santiago de Chile del año 2018. Los datos meteorológicos pasaron por un proceso de calificación previo al desarrollo de un análisis de regresión, donde se analizaron 8 modelos que relacionaban el factor de exergía mediante el trabajo de Pons y el índice de claridad. Se realizó un análisis estadístico con tal de encontrar el modelo con el mejor ajuste, dando como resultado al modelo cúbico. Para realizar una validación al modelo, se realizó un montaje experimental de un panel fotovoltaico al que se le realizó una modelación térmica y eléctrica. Esta modelación térmica y eléctrica fue contrastada con mediciones de la potencia eléctrica y las temperaturas del tedlar y la celda durante los días 10, 11, 12, 18 y 19 de Junio del 2019. Se utilizó el indicador estadístico NRMSE para evaluar esta contrastación que resultó en que el error de las temperaturas del tedlar y la celda son del 0.08 y 0.09 respectivamente. La potencia eléctrica obtuvo un NRMSE de 0.16 debido a que el instrumento de medición de la potencia tenía una resolución máxima de un decimal, lo cual afectó el resultado del NRMSE. Las modelaciones térmica y eléctrica se utilizaron para efectuar un balance de exergía al panel fotovoltaico. Este balance se utilizó como una validación del modelo cúbico y se realizó para un día despejado y nublado, correspondientes a los días 18 y 19 de Junio del 2019. La expresión del balance de exergía está en función del contenido exergético de la radiación solar, valor que fue utilizado como comparación entre la exergía calculada por el modelo cúbico con los modelos de Petela, Pons y Jeter. Para el día despejado, se determinó que el modelo propuesto se encuentra muy cercano al modelo de Pons con un NRMSE de 0.014. Además, los errores entre el modelo cúbico y los modelos de Petela y Jeter son de 0.033 y 0.051 respectivamente. Durante el día nublado los errores son mayores, calculandose un NRMSE entre el modelo cúbico y el modelo de Pons de 0.094. Al comparar con los modelos de Petela y Jeter, se aumenta el error a 0.133 y 0.151 respectivamente. Según estos resultados, se puede concluir que el modelo cúbico se encuentra muy cercano a otros modelos de la literatura durante días con baja nubosidad. El error aumenta para días con una alta nubosidad. Sin embargo, el error calculado aún es aceptable dentro del área de las estimaciones meteorológicas. De esta forma, los resultados confirman que el modelo cúbico puede usarse para estimar la exergía solar radiativa en la ciudad de Santiago de Chile y, por ende, ser usado en los balances termodinámicos para mejorar los diseños de las plantas solares.