explorador del recurso solar en chile

Documentación y manual de uso
EXPLORADOR
DEL RECURSO
SOLAR EN CHILE
Elaborado por: 1
Elaborado por: Alejandra Molina Monje Departamento de Geofísica Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile [email protected] Julio, 2014 2
Contenido 1 Introducción 4 2 Conceptos de Radiación 5 2.1 Teoría de radiación solar 5 2.2 La radiación solar en superficie 5 3 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 5.2 Reportes 13 6 Referencias 16 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 campos de alta resolución espacial y temporal 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 I y X. 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. 4
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 2, 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. 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). 0°
Directa
50°
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 5
sea el ángulo entre la superficie y los rayos (figura 1, derecha). Llamaremos 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 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.
Inclinación
Azimut
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 6
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
MODELOS
TRANSFERENCIA
METEOROLÓGICOS
RADIATIVA
(T,HR,τ)
MODELO DE
TOPOGRAFÍA
Radiación global horizontal,
GOES EAST
directa y difusa
Imágenes canal visible
en cielo despejado
Reflectividad
de las nubes
Mediciones
de
MODELO EMPÍRICO
radiación
global y
Detección de
directa
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 7
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. Para Chile, hemos usado una topografía proveniente de la base de datos SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) de 500 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. 8
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 9,5 93,4 16,3 52,5 7,5 70,2 11,0 68,0 11,0 73,6 12,0 117,6 22,5 60,4 9,6 107,8 17,1 98,9 15,9 80,6 13,2 125,0 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. 10
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 Resolución Resolución
Largo de Espacial Temporal la serie Radiación global horizontal 1 Km 10 min 2004‐2013 Radiación global en plano inclinado 1 km 10 min 2004‐2013 Radiación global en seguimiento 1 km 10 min 2004‐2013 Radiación directa normal 1 km 10 min 2004‐2013 Radiación directa en seguimiento 1 Km 10 min 2004‐2013 Potencia en panel fotovoltaico horizontal 1 km 10 min 2004‐2013 Potencia en panel fotovoltaico inclinado 1 km 10 min 2004‐2013 Potencia en panel fotovoltaico en seguimiento 1 km 10 min 2004‐2013 Frecuencia de nubosidad 1 km mensual 2004‐2013 5.1 Características del sitio web El sitio web ha sido actualizado en esta nueva versión. Al ingresar, se muestra un mapa de la insolación promedio para el país sobrepuesto sobre Google Earth para identificar con facilidad las localidades de interés del usuario. Además, se despliegan las ventanas Panel de Control y Visor que permiten la visualización y extracción de información sobre el recurso solar en el sitio de interés del usuario. Además, en el sitio web se encuentra un botón de Documentación para descargar un informe detallado sobre la metodología utilizada, su validación y sobre cómo utilizar el sitio. El Panel de Control, cuenta con la opción de visualizar en el sitio los mapas del promedio mensual de la insolación diaria para la radiación global horizontal (GLBhor), la radiación global en un plano inclinado con azimut cero y un ángulo de inclinación igual a la latitud de cada lugar (GLBin), la radiación global con inclinación cero en seguimiento (GLBseg), la radiación directa normal (DIRnrm) y la radiación directa con inclinación cero en seguimiento (DIRseg). Debido al amplio rango de valores que poseen estas variables a lo largo del día, se ha incorporado la opción de modificar la escala de colores de acuerdo al rango de valores más conveniente según el mes seleccionado y la zona de interés. 11
Figura 6: Imagen del sitio web del Explorador Solar, con las ventanas Panel de Control y Visor. El modelo de radiación por el momento presenta algunas deficiencias, como la detección de nubosidad en lugares con salares o nieve y por lo tanto se produce una subestimación de la radiación en dichos lugares, por lo que se sugiere no confiar en los valores en estos sectores, los cuales están destacados en los mapas con color rosado. En la ventana Panel de Control, además, se pueden seleccionar las características del sitio y del plano donde se desean conocer los datos de radiación y potencia. Para esto se deben llenar los datos, en la sección Reportes, de Ubicación: latitud, longitud y nombre del sitio (opcional), que pueden ser ingresados a mano o seleccionados con el mouse presionando sobre el mapa; Y los datos del Panel Fotovoltaico: inclinación, azimut, área y eficiencia de referencia (a 1000 W/m2 y 25°C). Con el botón Generar Reporte se extrae la información solicitada desde la base de datos y se despliega la información en la ventana Visor (este proceso puede tardar algunos minutos). En la ventana Visor se muestra un resumen de la información para el sitio seleccionado, considerando los datos del plano ingresado. Se puede visualizar el ciclo diario promedio, el ciclo anual promedio y los promedios anuales para todo el rango de tiempo disponible, para todas las configuraciones descritas de radiación global y directa. Además, se puede descargar un archivo de datos en formato CVS con las series de tiempo cada 10 minutos para las distintas configuraciones de la radiación, la temperatura, el viento y el potencial generado por el panel fotovoltaico escogido. 12
Finalmente, existe la opción de descargar un reporte en PDF con tablas resúmenes de los datos de radiación y potencia en el sitio escogido, las figuras que se muestran en el visor e información sobre la nubosidad, la temperatura y el viento. Figura7: Panel superior izquierdo: muestra la opción Resumen del Visor, que contiene los valores de la insolación diaria promedio en KW‐h x m2. Panel superior derecho: muestra la opción Ciclo diario del Visor, que contiene los promedios horarios de la radiación en W/m2. Panel inferior izquierdo: muestra la opción Ciclo estacional del Visor, que contiene los promedios mensuales de la insolación diaria en KW‐h x m2. Panel inferior derecho: muestra la opción Variabilidad interanual del Visor, que muestra los promedios anuales de la insolación diaria en KW‐h x m2. 5.2 Reportes En la ventana del Visor aparece la opción de descargar un informe sobre el sitio que el usuario ha escogido donde se encuentra la siguiente información:  Ubicación del sitio Muestra las coordenadas, altura y un mapa a 90 metros de resolución del entorno del sitio seleccionado.  Características del panel solar Se muestran los ángulos de inclinación y azimut del panel seleccionado y un esquema de la orientación de éste. Además se muestra la curva de la eficiencia utilizada en los cálculos. 13
 Resumen de la radiación Se entregan tablas que muestran los valores de insolación diaria promedio en el punto seleccionado para cada mes y año, para la radiación global y directa. Además, se muestran gráficos de los ciclos diario, anual e interanual de la radiación y figuras con la radiación horaria para cada mes (2D).  Resumen de la potencia Se muestran gráficos del ciclo diario y estacional promedio generado por un panel fotovoltaico en la posición elegida, además de un panel horizontal y un panel con sistema de seguimiento del sol. Además se presentan los valores de la potencia promedio para todos los meses y años. 14
 Resumen de la nubosidad Se presentan gráficos de la frecuencia de nubosidad diurna, mensual y anual, estimada a partir de los datos satelitales. La frecuencia de nubosidad es un número entre 0 y 1, que indica la fracción de tiempo en que el sitio estuvo cubierto por nubes.  Resumen de la meteorología Se muestran gráficos con el ciclo diario promedio y los promedios mensuales de la temperatura y el viento. Estos datos han sido obtenidos con un algoritmo de reconstrucción para los años 2004 a 2013 basada en los resultados del modelo WRF para el año 2010. 15
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. 16