Estudio del Recurso Solar en la Ciudad de Bogotá para el Diseño

Revista Colombiana de Física, Vol. 42, No. 2 de 2010.
Estudio del Recurso Solar en la Ciudad de Bogotá para el Diseño de
Sistemas Fotovoltaicos Interconectados Residenciales
Bogotá City Solar Resource Study for the Design of Residential Grid-Connected Photovoltaic
Systems
J. Hernández* a, E. Sáenza, W. A. Vallejob
a
LIFAE, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, Bogotá, Colombia.
b
Departamento de Química, Universidad Nacional, Bogotá, Colombia.
Recibido 08.03.10; Aceptado 20.08.10; Publicado en línea 17.01.11.
Resumen
El presente trabajo pretende establecer las principales características del recurso solar (radiación promedio y variabilidad)
en la ciudad de Bogotá, sin el empleo de estimaciones, centrándose principalmente en las aplicaciones fotovoltaicas.
Partiendo de los valores registrados de cada estación meteorológica de la zona urbana se efectuó un análisis estadístico
que permitió obtener las series mensuales de radiación solar más representativas del régimen de radiación solar para la
ciudad de Bogotá. Partiendo de dicho resultado se evaluó la variabilidad de cada fuente. Teniendo en cuenta las diferentes
características de disponibilidad eléctrica y hábitos de consumo de los usuarios, se propone el mejor criterio de diseño
para sistemas fotovoltaicos interconectados en la ciudad de Bogotá.
Palabras clave: Radiación solar, Sistemas fotovoltaicos, Estación meteorológica.
Abstract
The present work tries to establish the main characteristics of the solar resource (radiation average and variability) in
Bogotá city without the use of estimations, focusing on the photovoltaic applications. A statistical analysis with registered
values of each meteorological station in the urban zone was made; it allows obtaining the most representative monthly
radiation series for solar radiation in the city. With this result the variability of each source was evaluated. Considering the
electrical accessibility and habits of consumption of the users, the best parameters of design for grid-connected
photovoltaic systems in the city of Bogotá were proposed.
Keywords: Solar radiation, Meteorological station, Grid-connected systems.
PACS: 88.40.M-, 88.40.mp, 88.40.mr, 88.05.Jk.
© 2010 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.
1. Introducción
Aunque Colombia ya cuenta con varios estudios encaminados a determinar las características de la radiación
solar que incide sobre el territorio nacional, aún faltan por
analizar y precisar numerosos aspectos que permitan establecer con mayor exactitud las condiciones del recurso
solar en cada una de las distintas regiones geográficas del
país. Hasta la fecha la mayoría de los estudios de este tipo
* [email protected]
han estado dirigidos a la cuantificación de los niveles de
radiación solar mensuales promedio en todo el país, esto
con el fin de elaborar atlas o manuales de radiación solar, y
en todos ellos se recurre a métodos de estimación matemática que completan y/o validan los datos de radiación sobre
los datos de horas de brillo solar.
Por otra parte, los datos de radiación solar son medidos
y procesados por diferentes entidades con usos determina-
Rev.Col.Fís., Vol.42, No.2 de 2010.
dos, cada una con especificaciones y requerimientos particulares, que no satisfacen los requerimientos de un dimensionamiento de sistemas interconectados residenciales.
Esto hace que resulte inadecuado adelantar un estudio
sobre radiación solar con múltiples propósitos. Los mismos
instrumentos de medición que pueden ser aceptables para
aplicaciones fotovoltaicas son poco útiles en el campo de
la investigación científica o meteorológica. Cada uno de
los elementos y procesos que intervienen en el proceso de
lectura y procesamiento de los datos se deben abordar de
distinta forma según el propósito central del estudio adelantado. Los atlas de radiación solar son una excelente
fuente de información general, pero en el caso de algunas
aplicaciones específicas no suelen ser una buena referencia.
2. Obtención de los Datos de Radiación
Bogotá se encuentra ubicada a los 4° 35' de latitud norte y 74° 04' de longitud oeste. Su temperatura promedio es
de 14 °C y se extiende sobre un piso térmico de subpáramo [1]. En esta ciudad cuatro entidades poseen estaciones meteorológicas dotadas de instrumentos que miden
la radiación solar: IDEAM, Secretaría Distrital de Ambiente, CAR Cundinamarca, y la Universidad Nacional. Cada
organismo maneja unidades de radiación y frecuencias de
registro diferentes y por ello fue necesario efectuar las
conversiones necesarias para que toda la información se
expresara en horas de sol estándar [HSS], como se muestra
en la ecuación 1:
1HSS = 1KWh
Por muchos años las únicas fuentes de información sobre radiación solar con las que contaba la ciudad consistían
en algunos heliógrafos y actinógrafos antiguos, pero a
comienzos de la presente década diferentes instituciones
fueron instalando progresivamente estaciones meteorológicas con piranómetros. Este tipo de dispositivos permitieron
obtener nuevos datos de radiación solar mucho más confiables que se constituyen en valiosas fuentes de información para las investigaciones sobre el recurso solar y sus
potencialidades energéticas.
m2
(1)
La ec. (1) indica que una hora de sol estándar es equivalente a la energía generada con una radiación solar de un
kilovatio sobre una superficie de un metro cuadrado durante una hora. Dado que en los procedimientos de diseño de
sistemas fotovoltaicos se parte siempre de los datos de
radiación promedio mensuales, los datos recolectados
fueron procesados adecuadamente para obtener una serie
de datos medios mensuales por cada estación meteorológica.
A lo largo y ancho de la ciudad se encuentran diferentes estaciones metereológicas, la mayoría instaladas por
organismos gubernamentales para diferentes campos de
aplicación. En muy pocas de ellas existen instrumentos de
medición para la radiación solar por su elevado costo, por
lo que normalmente se encuentran heliógrafos (de menor
costo) que registran las horas de brillo solar a partir de las
cuales se estima matemáticamente la radiación solar respectiva.
En total se obtuvieron datos de radiación solar medidos
por 8 estaciones meteorológicas: Una del IDEAM correspondiente al Aeropuerto El Dorado; 4 de la Secretaría
Distrital de Ambiente (SDA) en Usme, Vitelma, IDRD, y
Escuela de Ingeniería; 2 de la CAR - Cundinamarca en
Doña Juana y Guaymaral; y una más perteneciente al Departamento de Física de la Universidad Nacional.
Como referencia se seleccionó la serie mensual de datos de radiación solar obtenida a partir de la estación meteorológica del IDEAM ubicada en el Aeropuerto internacional El Dorado. La elección obedece a que dicha estación registra la mayor cantidad de años y además es la más
importante del IDEAM, quien es el ente rector meteorológico a nivel nacional.
En la ciudad, como en casi todo el país, la escasa presencia de sistemas solares térmicos y fotovoltaicos, así
como el poco interés por las fuentes de energía renovable,
explica el número tan escaso de estaciones metereológicas
especializadas y los pocos esfuerzos por estudiar y explotar
el recurso solar disponible. Se suma a ello la ausencia de
incentivos por parte del gobierno y/o las empresas de energía para que los usuarios se decidan a instalar sistemas
fotovoltaicos interconectados a la red en sus residencias.
3. Resultados y Discusión
La serie mensual de referencia se validó a partir de índices de correlaciones estadísticas lineales superiores a 0.9
respecto a los datos registrados de brillo solar de la misma
estación en los mismos lapsos de tiempo. Una segundo
índice de correlación de 0.973 entre la serie de referencia
con la de los promedios mensuales de Meteonorm ratificó
la validez de la serie mensual de referencia como aparece
en la figura 1. Meteonorm es una valiosa herramienta informática reconocida mundialmente ya que está cuenta con
más de 20 años de experiencia en el desarrollo de bases de
datos meteorológicas para aplicaciones de energía solar.
En el presente trabajo se pretende analizar el recurso
solar de Bogotá tomando como fuentes de información
solamente las estaciones meteorológicas presentes en la
ciudad que cuenten con instrumentos que midan directamente la radiación solar incidente. Se descartan, de esta
forma, las estimaciones matemáticas y se parte únicamente
de los datos reales obtenidos con las diferentes estaciones.
Esto con el fin de establecer si las condiciones de radiación
de Bogotá permitirían el dimensionamiento de sistemas
solares fotovoltaicos interconectados residenciales.
162
J. Hernández, E. Sáenz, W. A. Vallejo: Estudio del Recurso Solar en la Ciudad de Bogotá para el Diseño de Sistemas Fotovoltaicos
Interconectados Residenciales
series mensuales de datos es demasiado corta y por consiguiente su confiabilidad estadística es bastante baja.
Este programa es muy utilizado en los procedimientos de
diseño para sistemas solares, tanto fotovoltaicos como
térmicos [2].
3.1 Variabilidad
Después de analizar estadísticamente cada una de las
series mensuales con respecto a la serie de referencia, se
obtuvieron las tres series que mejor representan el recurso
solar de Bogotá: La serie mensual de referencia del
IDEAM, la serie obtenida de los datos de la estación de la
Escuela de Ingeniería perteneciente a la SDA y la serie
perteneciente a los datos de la estación del Departamento
de Física de la UNAL. El comportamiento estacional de las
tres se ilustra en la figura 2.
El recurso solar se define a partir de los promedios
mensuales de la radiación solar (H expresada en HSS) y de
la respectiva desviación estándar asociada (σ expresada en
HSS). Estas variables indican la disponibilidad y la variabilidad del recurso solar en cada estación o punto de medida respectivamente [3]. La variabilidad (V) se define como:
V = 2σ
H
(2)
Aplicando la ecuación (2) a los promedios totales de la
serie mensual de referencia se obtienen los datos mostrados en la tabla 1. Estos datos caracterizan el comportamiento del recurso solar en la ciudad de Bogotá.
Para comparar los niveles de variabilidad del recurso
solar en Bogotá respecto a los que se presentan en otros
puntos del planeta, se seleccionaron cinco estaciones
metereológicas sometidas a condiciones climáticas
totalmente distintas entre sí. Estas estaciones se hallan
ubicadas en Yakarta (Indonesia), Ammassalik Island
(Groenlandia), El Moralito (Zulia - Venezuela), Madrid
(España) y Argel (Argelia). En la tabla 2 se listan los
promedios anuales de los parámetros de radiación para
estas estaciones meteorológicas [4-7].
Fig. 1: Promedio de las series mensuales del IDEAM y
Meteonorm.
Tabla No. 1: Características del recurso solar de Bogotá.
Fig. 2: Comportamiento estacional de las tres series mensuales
representativas
Las cinco series restantes fueron descartadas debido al
comportamiento estacional marcadamente diferente al de
la serie de referencia. En el caso de las 2 estaciones de la
CAR (Doña Juana y Guaymaral) tal comportamiento se
debe a la baja confiabilidad asociada a los equipos de medida utilizados en la obtención de los datos; los instrumentos son muy antiguos y en el procesamiento de los datos
utilizan planígrafos. En las 3 estaciones de la SDA (IDRD,
Usme y Vitelma) existen instrumentos de medición electrónicos adecuados, pero la extensión de las respectivas
Mes
H (HSS)
σ* HSS
Variabilidad (%)
Ene.
4.95
0.42
17.07
Feb.
4.84
0.46
18.88
Mar.
4.60
0.47
20.24
Abr.
4.15
0.36
17.13
May.
3.80
0.38
19.80
Jun.
3.93
0.48
24.56
Jul.
4.11
0.29
14.04
Ago.
4.43
0.42
18.90
Sep.
4.28
0.27
12.48
Oct.
4.32
0.34
15.81
Nov.
4.24
0.39
18.65
Dic.
4.75
0.33
13.84
Anual
4.31
0.38
17.67
*Desviación estándar
163
Rev.Col.Fís., Vol.42, No.2 de 2010.
Tabla No. 2: Características del recurso solar de estaciones meteorológicas utilizadas como parámetro de comparación.
Estación
Promedio+
σ* HSS+
(HSS)
registran en países como Alemania, EE.UU y Japón, donde
se ha desarrollado una campaña exitosa de electrificación
residencial fotovoltaica interconectada [9].
Variabilidad
Bogotá tiene un rango de variación de radiación solar
mucho menor que el presentado por los países antes mencionados; sin embargo, no cuenta con ningún tipo de incentivo gubernamental que permita que los usuarios puedan implementar paneles solares fotovoltaicos interconectados a la red en los tejados de sus residencias, con gastos
de inversión aceptables. En lo que se refiere a sistemas
fotovoltaicos autónomos, la ciudad no ofrece un buen
campo de aplicación debido al costo inicial que este requiere (USD10/watt); y a las limitaciones propias de espacio que existen en todas las grandes ciudades.
(%)+
Madrid
4.50
0.12
5.33
Argel
4.20
0.12
5.71
Yakarta
3.58
0.18
10.03
El Moralito
4.34
0.23
10.39
Ammassalik
2.63
0.085
6.364
*Desviación estándar
+
Resultados del promedio anual
Una de las características más importantes de Bogotá
en lo que se refiere al diseño de sistemas fotovoltaicos, es
la gran estabilidad que existe al interior de cada uno de los
estratos socio-económicos residenciales en los consumos
de energía mensuales a lo largo del año (ver figura 4) [8].
Esta propiedad, junto a la ausencia de tormentas de arena o
de nieve que pudieran bloquear los paneles solares por
prolongados periodos de tiempo, facilitan enormemente el
dimensionamiento de los sistemas fotovoltaicos al basar
todos los cálculos en un único y constante consumo promedio mensual de energía para cada usuario.
Los datos de radiación solar medidos en cada una de las
estaciones permitieron verificar que la variabilidad mensual presentó variaciones muy diferentes entre sí, pero la
variabilidad anual observada en todos los casos es muy
similar y no llega a superar el 11%. Este resultado no
indica que la variabilidad es inherente al comportamiento
aleatorio que la incidencia de la radiación solar presenta en
muchas regiones del mundo, y por tal razón es un fenómeno general que no es propio de un área geográfica determinada ni de un régimen climático determinado.
3.2 Consideraciones
fotovoltaicos
en
el
diseño
de
sistemas
Fig. 4: Consumo observado por usuarios residenciales en Bogotá
durante el año 2007.
Según las características propias de Bogotá, el mejor
criterio de diseño para los sistemas solares fotovoltaicos
interconectados en la ciudad es aquel que parte de la base
de la radiación promedio total mensual (también llamada
mensual interanual) para generar la energía correspondiente al consumo mensual del usuario. Este criterio tiene la
ventaja de evitar posibles falencias y/o excesos en el dimensionamiento, además da la posibilidad de ampliar el
sistema para poder obtener eventuales beneficios ofrecidos
por un posible incentivo económico en el futuro. Además
es importante tener en cuenta que este tipo de desarrollos
podrían ser mucho más viables en términos económicos si
se contara con algún apoyo por parte de los entes guber-
Fig. 3: Radiación solar mensual promedio en Bogotá.
La radiación solar mensual promedio de Bogotá fluctúa
dentro de un rango de 3.8 HSS y 5.0 HSS como se ilustra
en la figura 3; intervalo significativamente menor a los 4.8
HSS que corresponden a la radiación solar promedio en
una estación metereológica de las Islas Canarias (de 2.8 a
7.6 HSS) [7]. En estas islas se están adelantando importantes planes de instalación de sistemas fotovoltaicos tanto
autónomos como interconectados, a pesar de los altos
valores de variabilidad en lo niveles de de radiación solar
que se registran a lo largo del año. Cambios similares se
164
J. Hernández, E. Sáenz, W. A. Vallejo: Estudio del Recurso Solar en la Ciudad de Bogotá para el Diseño de Sistemas Fotovoltaicos
Interconectados Residenciales
namentales; al respecto se hace necesario el desarrollo de
una política regulatoria que facilite la incursión de este tipo
de energía alternativa en la ciudad de Bogotá.
Referencias
[1] Instituto Geográfico Agustín Codazzi. Atlas de Colombia. 5ª Edición. Bogotá: Imprenta Nacional de Colombia, 2002. pp. 142 – 161.
Bogotá no posee un recurso solar abundante, pero sí
dispone de un promedio de radiación solar anual superior
al existente en Alemania [9] y otros países europeos donde
la energía proveniente del sol se aprovecha en gran escala
y en donde las variaciones de radiación mensual, debido a
la presencia de estaciones climáticas, son mucho más acentuadas. Lo anterior nos indica que la ciudad cumple los
requerimientos para implementar sistemas fotovoltaicos
interconectados, pero nada de esto es posible sin los adecuados incentivos por parte del gobierno y/o las empresas
del sector eléctrico.
[2] Meteonorm. Meteonorm 6.1 [en Linea] (01 al 22 de
may. 2009) Disponible en: <http://www.meteonorm.
com> [citado el 15 de mayo de 2009].
[3] Labed, Sifeddine. Contribución al desarrollo de métodos para la electrificación rural fotovoltaica a gran escala. Madrid, 2004, pp. 35 – 39. Tesis doctoral. Universidad Politécnica de Madrid. Departamento de tecnologías de la información y las comunicaciones.
[4] Morrison, G. Solar radiation data for Indonesia. En:
Solar Energy. Vol 49, Iss, 1 (Jul., 1992). pp. 65 - 76
(NTC 4490).
4. Conclusiones
[5] Mernild, S. et all. Meteorological observations 2006
and ground temperature variations over 12-year at the
Sermilik Station, Ammassalik Island, Southeast
Greenland. En: Geografisk Tidsskrift : Danish Journal
of Geography. Vol. 108, No. 1 (2008). pp. 153 – 161.
Colombia ha limitado su estudio del recurso solar al
desarrollo de un atlas solar para todo el territorio nacional,
pero no existen trabajos recientes encaminados a que cada
zona geográfica desarrolle su propio atlas, lo que constituye una diferencia sustancial con respecto a otros países con
mayor desarrollo en el sector fotovoltaico. El dimensionamiento de sistemas interconectados partiendo de la información ofrecida por este tipo de atlas globales no es adecuado debido a la necesidad de datos más puntuales y
exactos; estudios exclusivos para áreas más reducidas
como valles, mesetas, cuencas hidrográficas o sabanas,
ofrecen una información más precisa y útil para el campo
fotovoltaico. La información más confiable sobre la radiación solar que se puede obtener en Bogotá es la registrada
en las tres estaciones meteorológicas representativas del
presente estudio (Aeropuerto El Dorado, Escuela de Ingeniería y Departamento de Física de la Universidad Nacional); estas estaciones muestran que Bogotá cuenta con un
recurso solar adecuado para realizar dimensionamientos de
sistemas fotovoltaicos residenciales interconectados. Este
tipo de desarrollo sería mucho más viable en términos
econonómicos si existiese apoyo por parte de los diferentes
entes gubernamentales; dicho apoyo reduciría en gran
medida los costos iniciales en la implementación de este
tipo de sistemas en la ciudad de Bogotá.
[6] Universidad de Los Andes - Venezuela. Centro
Nacional de Cálculo Científico de la Universidad de
Los
Andes
[en
línea].
Disponible
en:
<http://www.cecalc.ula.ve/webclima/datos/datos_estac
ines_marn/datos_estaciones_marn_estado_zulia/estaci
on_marn_el_moralito_Luz.txt> [citado el 27 de marzo
de 2009] .
[7] Gobierno de Canarias – España. Instituto Tecnológico
de Canarias [en línea]. Disponible en: <http://www.
itccanarias.org> [Citado el 19 de junio de 2009].
[8] República de Colombia, Secretaria de gobierno distrital de Bogotá. Segobdis [en línea]. Disponible en:
<http://furatena.segobdis.gov.co:81/INTRANET/intran
et.nsf/9ba334f21fc7a451052571a2006b6feb/d34dcd14
ceff1f100525740c007600ae/$FILE/AN_01Proy186_2
008.pdf> [Citado el 31 de marzo de 2009].
[9] European Commisssion, Joint Research Centre. Solar
Irradiation Data [en línea] Disponible en:
<http://sunbird.jrc.it/pvgis/apps/radmonth.php?lang=e
n&map=europe> [Citado el 25 de Julio de 2009].
(NTC 1308).
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