Documentación - Universidad de Chile

Documentación
Elaborado por:
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Elaborado por:
Alejandra Molina Monje
Departamento de Geofísica
Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Universidad de Chile
[email protected]
Octubre, 2014
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Contenido
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Introducción
4
2
Conceptos de Radiación
5
2.1 Teoría de radiación solar
5
2.2 La radiación solar en superficie
5
Descripción del modelo
6
3.1 Modelo de transferencia radiativa
6
3.2 Incorporación de la nubosidad: modelo empírico
8
4
Validación del modelo
9
5
Explorador solar
11
5.1 Características del sitio web
11
Referencias
12
3
6
3
1 Introducción
La energía solar es la fuente de energía primordial del planeta. El planeta recibe energía
solar de manera abundante, sin embargo, su disponibilidad presenta grandes variaciones
temporales y espaciales y por lo tanto el diseño de plantas que utilicen directamente la energía
solar requiere de conocer la distribución de este recurso a un gran nivel de detalle espacial y
temporal.
El Explorador Solar tiene como objetivo el proporcionar esta herramienta para el territorio
chileno. Utilizando información de satélites que cubren regularmente el país y combinando esto
con la modelación de los procesos en los que la radiación solar es modificada en su paso por la
atmósfera, ha sido posible construir una base de datos de alta resolución espacial y temporal
(sobre 10 años) de la radiación solar incidente.
En la sección 2 revisaremos algunos fundamentos básicos de radiación solar, que permitirán
interpretar los resultados de los productos del explorador.
En la sección 3 se revisarán los aspectos principales de la metodología utilizada para
construir la base de datos de radiación solar, en particular el modelo de transferencia radiativa y
la incorporación de los datos satelitales GOES.
En la sección 4 se muestran los resultados de la validación del modelo haciendo uso de una
red de estaciones superficiales de radiación global ubicadas entre las regiones de Arica y
Parinacota y Los Lagos.
Finalmente, en la sección 5 se describen las características y herramientas del sitio web del
explorador, las opciones de visualización online y las opciones de descarga de datos y de
reportes sobre los sitios de interés de los usuarios.
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2 Conceptos de Radiación
2.1 Teoría de radiación solar
La radiación que recibimos del sol antes de ingresar a la atmósfera es en promedio 1366
W/m , esta energía es en parte absorbida, reflejada y dispersada por las nubes, las partículas (o
aerosoles) y las moléculas que componen la atmósfera terrestre. De esta manera la atmósfera
(a través de su composición), influencia la cantidad de radiación solar que llega a la superficie
del planeta en cada punto y en cada momento. Por lo tanto, para conocer la radiación que
alcanza la superficie terrestre, es necesario conocer las características de la atmósfera y su
composición en cada lugar del espacio y del tiempo.
2
Los principales procesos involucrados en la atenuación de la radiación son la absorción
por vapor de agua y aerosoles, y la dispersión de la radiación por efecto de las nubes. Es
importante entonces notar, que mientras mayor sea el camino recorrido por el rayo, mayor será
su interacción con la atmósfera y por lo tanto mayor será su atenuación. Es por esto, que
cuando el sol está directamente sobre un sitio, la radiación alcanza su máximo diario, y
disminuye mientras más cerca del horizonte se encuentre el sol, el mismo efecto ocurre durante
el año, alcanzándose el máximo de radiación en verano y el mínimo en invierno.
2.2 La radiación solar en superficie
La radiación que alcanza la superficie es la suma de los rayos que vienen directamente
del sol (radiación directa) y de los rayos que han sido dispersados por la atmósfera y que por lo
tanto provienen de distintas partes del cielo (radiación difusa). A la suma de estas dos
componentes se le denomina radiación global (figura 1, izquierda).
Directa
Difusa
Figura 1: Izquierda: Esquema de las componentes de la radiación que llegan a la superficie.
Derecha: Esquema del efecto de dilución según el ángulo cenital de la radiación. Ambos haces de luz contienen
la misma cantidad de energía, sin embargo, el haz inclinado se distribuye sobre un área mayor.
La cantidad de radiación que se recibe en una superficie depende del ángulo con que
inciden los rayos sobre ella. Existe un efecto de “dilución” de la radiación mientras menos
perpendicular sea el ángulo entre la superficie y los rayos (figura 1, derecha). Llamaremos
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radiación normal, a la radiación recibida en una superficie perpendicular a los rayos
provenientes del sol. Para recibir la radiación normal durante todo el día, es necesario que la
superficie receptora se mueva de este a oeste siguiendo la posición del sol.
Si la superficie que recibe la radiación está horizontal, es decir, perpendicular al radio de
la tierra, la llamaremos radiación horizontal. Usualmente, es más sencillo recolectar la energía
solar en una superficie que no se mueve a lo largo del día, pero se intenta encontrar un ángulo
de inclinación para la superficie receptora tal que se optimice la cantidad de radiación recibida
durante el día o el año.
La superficie donde se recibe la radiación se caracteriza por dos ángulos: el azimut, que
corresponde al ángulo respecto del norte geográfico en que está rotada hacia el este la
superficie y la inclinación, que corresponde al ángulo de elevación respecto de un plano
horizontal (figura 2).
Figura 2: Esquema de la posición de un
plano inclinado o panel solar sobre el
cual incidirá la radiación solar
(rectángulo rojo). Los arcos azules
muestran los ángulos de inclinación y
azimut que definen la posición del plano.
3 Descripción del Modelo
La metodología para el cálculo de radiación en el Explorador Solar incluye un modelo de
transferencia radiativa para calcular la radiación solar global y sus componentes directa y difusa,
en cielo despejado. Posteriormente se incorpora el efecto de la nubosidad a través de un
modelo empírico que relaciona la atenuación de la radiación con la reflectividad de la
nubosidad, extraída de los datos del canal visible del satélite GOES EAST. En la figura 3 se
presenta un esquema detallado de la metodología utilizada en el Explorador Solar.
3.1 Modelo de transferencia radiativa
Un modelo de transferencia radiativa es un modelo que considera todas las interacciones
que tiene un rayo de luz proveniente del sol con los distintos componentes de la atmósfera. En
el caso de este proyecto se está utilizando el modelo CLIRAD-SW (Chou y Suárez, 1999).
El modelo considera una columna atmosférica desde el tope de la atmósfera hasta la
superficie, con 100 niveles de altura (número que ha sido determinado de modo de minimizar el
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tiempo de ejecución sin perder precisión en el resultado). En el nivel superior ingresa la
cantidad de radiación solar medida por el radiómetro TIM (Total Irradiance Monitor) a bordo
del satélite SORCE (Kopp y Lawrence, 2005), que considera tanto el ciclo anual de la distancia al
Sol como los ciclos de actividad solar, corregida de acuerdo a la latitud de cada lugar, la fecha y
la hora. El valor de la radiación solar en el tope de la atmósfera es para todos los efectos
prácticos exacto.
SATÉLITE SORCE
(TIM)
Radiación TOA
MODELO DE
TRANSFERENCIA
RADIATIVA
MODELOS
METEOROLÓGICOS
(T,HR,τ)
MODELO DE
TOPOGRAFÍA
Radiación global horizontal,
directa y difusa
en cielo despejado
Mediciones de
radiación global y
directa
GOES EAST
Imágenes canal visible
Reflectividad
de las nubes
MODELO EMPÍRICO
Detección de
nubosidad
Radiación global horizontal,
directa y difusa
Figura 3: Esquema de la metodología utilizada para construir las bases de datos del Explorador Solar.
Posteriormente, el modelo determina cuanta radiación pasa a los niveles inferiores, para
cada banda del espectro, de acuerdo a la temperatura de cada nivel, la humedad específica, la
concentración de ozono, dióxido de carbono y aerosoles, y por supuesto considerando la
dispersión, que dependerá de la masa atmosférica y de la geometría del rayo de luz.
Los campos de temperatura y humedad específica de toda la atmósfera han sido extraídos
de los reanálisis NCEP/NCAR de la NOAA/ESRL Physical Sciences Division (Kalnay et al, 1996). Los
reanálisis cuentan con información meteorológica histórica de gran escala cada 6 horas desde el
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año 1948 hasta el presente con una resolución espacial horizontal de 2.5 x 2.5 grados y 10
niveles verticales.
Los aerosoles han sido extraídos de los reanálisis del proyecto MACC (Monitoring
Atmospheric Composition and Climate), que combinan la información del modelo ECMWF con
datos de monitoreo de la composición atmosférica (Stein et al, 2011).
El espesor de cada columna es determinado de acuerdo a la altura del terreno en cada
punto. En el Explorador Solar se ha usado para la topografía el modelo de elevación digital de la
base de datos SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) de 90 metros de resolución.
3.2 Incorporación de la nubosidad: modelo empírico
El proyecto GOES (Geostationary Operational Enviromental Satellites) contiene, dentro de su
red de satélites, al satélite GOES EAST (desde 2001 a abril de 2010 GOES 12 y desde abril de
2010 a la fecha GOES 13) que está ubicado en una órbita geoestacionaria sobre la longitud 75W,
y por lo tanto, toma imágenes justo sobre el continente americano (Hillger y Schmit, 2007).
Las imágenes del hemisferio sur tienen una resolución temporal de 30 minutos durante casi
todo el año, salvo eventos excepcionales en el hemisferio norte, en que la frecuencia se reduce
a una imagen cada 3 horas. Las imágenes son tomadas en 5 canales espectrales, uno visible y
cuatro infrarrojos. Las imágenes del canal visible corresponden a datos de reflectividad (similar
al albedo) y tienen una resolución espacial cercana al kilómetro, estos datos son los que se han
utilizado para para detectar la nubosidad y caracterizar su efecto sobre la radiación.
El algoritmo de detección de nubes se ha ido mejorando con las distintas versiones del
Explorador Solar, actualmente está basado en un algoritmo para cada pixel en el cual se detecta
la línea base de reflectividad a través del tiempo, que corresponde a la reflectividad del suelo en
cielo despejado y en comparación con este valor se reconocen los tiempos con mayor
reflectividad que corresponden a presencia de nubes.
Posterior al reconocimiento de los tiempos en que hay nubosidad se calcula la cantidad de
radiación que se pierde por esta causa (ya sea absorbida o reflejada de vuelta al espacio por la
nube). Para esto se ha construido una función empírica que establece que existe una relación
cuadrática entre la reflectividad de la nube y la cantidad de radiación atenuada. Se han
calculado ecuaciones empíricas diferentes para la radiación global y para la radiación directa.
Así, se pueden ir mejorando los modelos a medida que aumente el número de estaciones de
medición de una u otra variable de manera independiente.
La ventaja de este modelo sencillo, es que no requiere conocer las propiedades específicas
de la nube, como el contenido de agua líquida o hielo, o la distribución del tamaño de las gotas.
Además, es un modelo que se puede ir mejorando a medida que se amplíe la base de datos de
radiación superficial.
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4 Validación del Modelo
Se ha evaluado la calidad de los resultados obtenidos con el modelo, de acuerdo a una base
de datos que consta de 82 estaciones distribuidas entre el norte grande, el norte chico, la zona
centro y el sur del país con datos de radiación global horizontal y 10 estaciones en el norte
grande con datos de radiación global en seguimiento. Parte de esta red de datos (10
estaciones) fue implementada por GIZ en conjunto con el Ministerio de Energía y posee datos a
partir del 2009. Los otros datos corresponden a estaciones públicas y privadas provenientes de
distintas redes de medición. En el país existen muchas otras estaciones que miden radiación
global horizontal, pero se han escogido sólo estas estaciones para realizar la validación pues son
las que muestran los menores errores por sombras, tendencias en el tiempo y datos fuera de
rango.
En la figura se muestra un diagrama de dispersión del valor promedio de la insolación diaria
en cada estación para el rango temporal disponible en cada una. En el eje vertical se muestran
los valores del modelo y en el eje horizontal los valores observados. Se puede ver que el modelo
tiene un buen desempeño pues para la mayoría de las estaciones la diferencia con el modelo no
supera el 10%.
Figura 4: Izquierda: Diagrama de dispersión entre la insolación promedio observada y modelada, para el período de
tiempo disponible en cada estación. Las líneas punteadas indican el rango de diferencia de un 10%. Derecha: mapa de
ubicación de las estaciones usadas en la validación.
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En la siguiente tabla se muestra el error promedio (sesgo) y la desviación estándar del error
(RMSE) de la radiación global horizontal con una resolución temporal de 10 minutos, para las 10
estaciones del Ministerio de Energía y para el total de las 82 estaciones. El modelo muestra un
sesgo en promedio de un 3,1 % y un RMSE de un 29%.
Armazones
Pampa Camarones
Crucero II
Crucero
Inca de Oro
Pozo Almonte
Puerto Angamos
Aeródromo Salvador
Salar
San Pedro de Atacama
Total estaciones GIZ
Todas las estaciones
Promedio
W/m2
322,3
185,2
341,3
305,0
295,1
293,6
248,0
301,1
303,0
296,2
-
Sesgo
W/m2
-22,1
-24,1
-23,3
-22,7
-11,5
-8,2
1,9
-12,9
2,6
-5,0
-12,5
11,9
%
-3,3
-4,2
-3,3
-3,6
-1,8
-1,3
0,3
-2,0
0,4
-0,8
-2,0
3,1
RMSE
W/m2
63,6
93,4
52,5
70,2
68,0
73,6
117,6
60,4
107,8
98,9
80,6
125,0
%
9,5
16,3
7,5
11,0
11,0
12,0
22,5
9,6
17,1
15,9
13,2
28,9
Además, se ha demostrado un buen desempeño en la modelación de la radiación global en
seguimiento. Esto prueba que tanto las componentes directa y difusa de la radiación, como el
algoritmo que calcula la radiación en un plano inclinado en seguimiento han sido modeladas de
forma adecuada. En la figura 5 se muestran los ciclos diarios promedios de la radiación global en
seguimiento modelada y observada en las 10 estaciones del Ministerio de Energía, se observa
que tanto la magnitud como la forma del ciclo diario han sido representados de forma correcta
por el modelo.
Figura 5: Promedios horarios de la radiación global en seguimiento en Watt por metro cuadrado para la red de
estaciones del Ministerio de Energía. En azul el valor modelado y en rojo las observaciones.
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5 Explorador Solar
El Explorador Solar se encuentra disponible en línea en la siguiente dirección:
http://walker.dgf.uchile.cl/Explorador/Solar
La información disponible en el sitio web está basada en una serie de productos que se han
generado utilizando la metodología explicada en este informe. La base de datos actualmente
cuenta con la información que se detalla en la siguiente tabla:
PRODUCTOS
Radiación global horizontal
Radiación global en plano inclinado
Radiación global en seguimiento
Radiación directa normal
Radiación directa en seguimiento
Potencia en panel fotovoltaico horizontal
Potencia en panel fotovoltaico inclinado
Potencia en panel fotovoltaico en seguimiento
Frecuencia de nubosidad
Resolución
Espacial
1 Km
1 km
1 km
1 km
1 Km
1 km
1 km
1 km
1 km
Resolución
Temporal
10 min
10 min
10 min
10 min
10 min
10 min
10 min
10 min
mensual
Largo de
la serie
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
2004-2013
5.1 Características del sitio web
El sitio web ha sido actualizado en esta versión del explorador solar. Al ingresar al sitio se
muestra un mapa de la insolación promedio para el país, sobrepuesto sobre Google Maps para
identificar con facilidad las localidades de interés del usuario. Además, se despliegan las
ventanas Panel de Control y Visor que permiten la modificación del mapa y la visualización
instantánea de la radiación, la generación fotovoltaica, la nubosidad y otras variables de un sitio
en particular. El explorador permite la descarga de un reporte y un archivo de datos con
información detallada sobre el recurso solar en cualquier sitio escogido por el usuario.
En la sección de Documentación se puede descargar la Guía del Usuario que contiene toda
la información sobre cómo utilizar las herramientas en línea del sitio web y el contenido de la
información que se puede descargar.
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Figura 6: Imagen del sitio web del Explorador Solar, con las ventanas Panel de Control y Visor.
6 Referencias
1. Chou M. and Suarez M. (1999). A solar radiation parameterization for atmospheric studies,
Tech. Rep., NASA/TM-1999-104606, 40 pp.
2. Kalnay, E.; Kanamitsu, M.; Kistler, R.; Collins, W.; Deaven, D.; Gandin, L.; Iredell, M.; Saha,
S.; White, G.; Woollen, J. & others The NCEP/NCAR reanalysis project Bull. Am. Meteorol.
Soc, 1996, 77, 437-471
3. Kopp, G. & Lawrence, G. The total irradiance monitor (TIM): Instrument Design The Solar
Radiation and Climate Experiment (SORCE), Springer, 2005, 91-109
4. Hillger, D. & Schmit, T. The GOES-13 science test: Imager and sounder radiance and
product validations US Dept. of Commerce, National Oceanic and Atmospheric
Administration, National Environmental Satellite, Data and Information Service, 2007
5. Skamarock, W.; Klemp, J.; Dudhia, J.; Gill, D.; Barker, D.; Wang, W. & Powers, J. A
Description of the Advanced Research WRF Version 3 NCAR, 2008
6. Stein, O., M. Schultz, F. J¨ulich, J. Flemming, A. Inness, J. Kaiser, L. Jones, A. Benedetti, J.
Morcrette, E. Reading, et al., MACC global air quality services - Technical documentation,
2011.
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