New theoretical developments in solar capture for static and mobile structures

Abstract

Solar irradiance is a fundamental variable for the characterization of the solar resource as an energy source. The scarcity of data on this variable has encouraged the development of explanatory models (isotropic models, anisotropic models, etc.). However, the models of solar irradiance have not been exploited so far in the generation of knowledge of patterns relating to optimal capture. In particular, this lack of development is evident in the study of solar trackers of photovoltaic facilities and in the radiation incident on buildings in cities. Mathematically, equations governing irradiance models can be derived with respect to position variables and, in this way, generate movement results that optimise capture and, therefore, energy production. Likewise, the exploitation of these models enables to explain known results in the sustainable energy field. A good example is the case of solar trackers based on the maximization of solar capture which have greater energy generation rates than those based on astronomical tracking. This thesis presents the analytical deduction of generic and unified equations of the movement of solar tracking systems. As a novelty, these equations are more generic, thus allowing the optimization of the positioning of photovoltaic (PV) facilities where diffuse and reflected irradiance are usable as opposed to those usually published that just consider the position of the sun (astronomical motion equations). The analysis of the results obtained criticizes the axiomatic idea – widely considered by numerous authors – establishing that the ideal tracking system in PV facilities is that tracker providing the best possible alignment with direct sunbeams. In PV plants based on solar tracking, during low-elevation solar angle hours, shadows appear between the collectors causing a dramatic decrease in production. This thesis presents a novel optimal tracking strategy to prevent the creation of these shadows. The presented method determines whether or not there is shading between collectors. Thus, when the collectors are not shaded, a tracking trajectory for maximum irradiance on the collectors is suggested. When the collectors are shaded, backtracking is proposed. Therefore, energy production in plants with this novel tracking method can be 1.31 % higher than that in PV plants with astronomical tracking. Moreover, this method allows the study of PV facilities for which there have been no published approaches, such as plants with non-rectangular collectors or those located on topographically heterogeneous surfaces. The growing need to improve the environmental and energy sustainability of buildings involves the use of solar radiation incident on their surfaces. However, in cities this task is complicated due to the constructive geometry that leads to shading between buildings. In this context, this work presents a study of solar access to the façades of buildings in cities. The methodology is based on the determination of the incident annual solar radiation in 121 significant points of each façade considering the twelve representative days of the year. To characterize the influence of the different city typologies on solar access, the Urban Solar Coefficient (the ratio of the irradiance received at one point in a building to the total irradiance received in the neighbourhood in which the building is located) is proposed. A study in two neighborhoods in Cordoba (Spain) with different urban settings have been analyzed. Specifically, two typologies of neighborhoods have been compared: one with ”L-shaped” and “U-shaped blocks” and another with “Grouped blocks”. For both of them, the Urban Solar Coefficient has been calculated, obtaining a higher mean value for the neighborhood with ”L-shaped” and “U-shaped blocks” (0.317) than for the one with “Grouped blocks” (0.260). Accordingly, the results show that urban morphology can influence the Urban Solar Coefficient and solar access. Finally, a regression model for each neighborhood has been obtained in order to determine the dependence of the Urban Solar Coefficient on neighborhood geometry factors. This thesis has addressed a characterization of irradiance in mobile and fixed structures, proposing real problems whose solutions are fully usable in the domains of urbanism and photovoltaic energy.

La irradiancia solar es una variable fundamental para la caracterización del recurso solar como fuente de energía. La escasez de datos de esta variable ha provocado que se hayan desarrollado modelos explicativos de la misma (modelos isotrópicos, anisotrópicos, etc.). Sin embargo, los modelos de irradiancia solar han sido hasta la fecha poco explotados en la generación de conocimiento de pautas relativas a una captación óptima. De manera particular, esta falta de desarrollo se manifiesta en el estudio de seguidores solares de instalaciones fotovoltaicas y en la radiación incidente sobre edificios de núcleos urbanos. Matemáticamente, las ecuaciones que rigen los modelos de irradiancia pueden ser derivadas respecto de las variables de posición y, de esta manera, generar resultados de movimiento que optimizan la captación y, por tanto, la producción energética. Asimismo, la explotación de estos modelos permite explicar resultados conocidos en el ámbito energético sostenible. Valga como ejemplo el caso de los seguidores solares basados en la maximización de la captación solar que presentan mejores tasas de generación energética que los basados en seguimiento astronómico. Esta tesis presenta la deducción analítica de las ecuaciones genéricas y unificadas de movimiento de seguidores solares. Muestran como novedad ser más genéricas, permitiendo la optimización del posicionamiento en instalaciones fotovoltaicas aprovechando las componentes difusa y reflejada de la irradiancia frente a las habitualmente publicadas que solo tienen en cuenta la posición del sol (ecuaciones de movimiento astronómico). El análisis de los resultados obtenidos refuta la idea axiomática, ampliamente difundida por numerosos autores, que establece como seguidor ideal en instalaciones fotovoltaicas aquel que procura el mejor alineamiento posible con los rayos solares directos. Además, en las instalaciones fotovoltaicas con seguidores solares aparecen durante las horas de altura solar baja, sombreos entre colectores que provocan una drástica caída de producción. Esta tesis presenta una nueva estrategia óptima de seguimiento que evita la creación de estas sombras. El método propuesto determina si hay o no sombra entre los colectores de una instalación. Por lo tanto, cuando los colectores no están sombreados, se propone una trayectoria de seguimiento para obtener la máxima irradiancia en los colectores. Cuando los colectores estuviesen sombreados se propone el retroseguimiento. La producción energética en las plantas con este novedoso método de seguimiento puede ser un 1,31% superior a la de instalaciones fotovoltaicas con seguimiento astronómico y sin intersombreo. Además, este método permite estudiar instalaciones para las que actualmente no existen enfoques publicados, como instalaciones con colectores no rectangulares o aquellas situadas en terrenos con topografía no plana. Por otro lado, la creciente necesidad de mejorar la sostenibilidad ambiental y energética de los edificios implica el aprovechamiento de la radiación solar incidente en sus superficies. Sin embargo, en las ciudades esta tarea se complica debido a la geometría constructiva que provoca el sombreo entre los edificios. En este contexto, esta tesis presenta un estudio del acceso solar a las fachadas de los edificios de las ciudades. La metodología se basa en la determinación de la radiación solar anual incidente en 121 puntos significativos de cada fachada considerando los doce días más representativos del año. Para caracterizar la influencia de las diferentes tipologías de edificaciones respecto al acceso solar, se propone el Coeficiente Solar Urbano (relación entre la irradiancia recibida en un punto de un edifico y la total recibida en el barrio en que se encuentra dicho edificio). Se ha analizado un estudio en dos barrios de Córdoba (España) con diferentes entornos urbanos. En concreto, se han comparado dos tipologías de barrios: uno con "bloques en forma de L" y "bloques en forma de U" y otro con "bloques agrupados". Para ambos se ha calculado el Coeficiente Solar Urbano, obteniendo un valor medio superior para el barrio con "bloques en forma de L" y "bloques en forma de U" (0,317) que para el barrio con "bloques agrupados" (0,260). En consecuencia, los resultados muestran que la morfología urbana puede influir en el Coeficiente Solar Urbano y el acceso solar. Finalmente, se ha obtenido un modelo de regresión para cada barrio con el fin de determinar la dependencia del Coeficiente Solar Urbano respecto a los factores geométricos del barrio. Con esta tesis se ha abordado una caracterización de la irradiancia en aplicaciones móviles y fijas, planteando problemas reales cuyas soluciones son de una aplicabilidad plena en los ámbitos del urbanismo y la energía fotovoltaica.