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ESTIMACIÓN SATELITAL DEL
RECURSO SOLAR: MODELO
CHILE-SR
Center for Solar Energy
Technologies
Cristian Cortés
14 de agosto de 2015
Contenidos
• Estimación satelital de la irradiación solar en la superficie
• Metodología de la Estimación Satelital
• Diferencias entre mediciones y estimaciones satelitales
• Modelo Chile-SR
• Conclusiones
Estimación de la irradiación solar en la superficie
5
25
10
0
25
Absorbida
Infrarroja
emergente
70
Reflejada
Gases de
efecto
invernadero
29
Procesos
atmosféricos
45
Absorbida
104
Radiación
terrestre
88
Efecto
invernadero
Estimación de la irradiación solar en la superficie
• Modelos a partir de imágenes satelitales
geoestacionarias
– Estiman GHI y DNI
– Abarcan entre -60°y +60°de latitud
• A partir del método desarrollado se pueden
clasificar en: físicos, empíricos o mixtos
• En el mundo, existe una gran variedad de
modelos desarrollados
– NSRDB
– NASA
– DLR-ISIS
– 3Tier Solar
– SolarGIS, entre otros
Metodología de Estimación Satelital
Medición terrestre
Transmitancia Atmosférica
Balance de Energía
Cobertura
de Nubes
Aerosoles
Vapor
de Agua
Ozono
Elevación
Procesamiento de
imágenes satelitales
Validación del modelo mediante
datos terrestres de alta calidad
Datos precisos, en buena resolución
espacial, con series temporales
confiables, para el territorio nacional
Metodología de Estimación Satelital
• Al disminuir la resolución temporal de la información requerida, aumenta la precisión de los
resultados
GHI
Alta Incertidumbre SolarGIS
Baja Incertidumbre SolarGIS
Sensor Second Class
Sensor First Class
Sensor Secondary Standard
Incertidumbre
(-+%)
Horario
Diario
Mensual
Anual
Diferencia entre medición y estimación satelital
• Distinta resolución de la información de entrada constituye una de las fuentes de error
– También difieren en resolución temporal (frecuencia de muestreo y período abarcado)
Costa Oeste de Arabia Saudita
Input
Tamaño aprox. de la grilla
Imagen satelital
2,7 x 3,0 km
Aerosoles
85 a 125 km
Vapor de agua
35 a 55 km
Aerosoles
~125 km
Vapor de
agua
~125 km
Imagen
satelital
~3 km
0
50 km
Diferencia entre medición y estimación satelital
• Medición en terreno es válida para un punto en un intervalo de tiempo específico
• Estimación satelital es temporalmente instantánea y un promedio del espacio que representa
Promedio
horario
Imagen
METEOSAT
Medición
Diferencia entre medición y estimación satelital
Pixel de imagen
satelital
Planta Termosolar
(200 MW~2x2 km2)
(~3x4 km2)
Medición en
terreno
(~2x2 cm2)
Diferencia entre medición y estimación satelital
Med.
Est.
W/m2
Hora del día
Diferencia entre medición y estimación satelital
Med.
Est.
W/m2
Hora del día
Estimación de la irradiación solar en la superficie en Chile
• Existen iniciativas que abarcan el territorio
nacional
– Desarrolladas en Chile (Chile-SR;
Explorador Solar)
– Desarrolladas en el extranjero
(SolarGIS; 3Tier; NASA)
• Dada la variabilidad climática del país, no
todas se aproximan adecuadamente
• Modelo Chile-SR
Modelo Chile-SR
• El objetivo es desarrollar un modelo de transmitancia atmosférica adaptado a las condiciones
de Chile para lograr estimaciones satelitales confiables
• Contó con la colaboración de:
–
–
–
–
–
–
Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
Dirección Meteorológica de Chile
Instituto Geográfico Militar
Pontificia Universidad Católica de Chile
Abengoa Solar
DICTUC S.A.
• Se obtuvo modificando el modelo Brasil-SR, desarrollado por el INPE, a las características
climáticas de Chile
Modelo Chile-SR
Información climática
Información satelital
Imágenes del satélite GOES 13
Temperatura, albedo de superficie,
humedad relativa, visibilidad, altitud
Determinación del índice de cobertura
efectiva de nubes CCIeff
Procesamiento de la información
Parametrización de la atmósfera
Modelación de los
aerosoles atmosféricos
Modelamiento del agua
precipitable
Propiedades del sistema
Sol - Tierra
Estimación de la transmitancia de cielo claro
Modelación de los gases
atmosféricos
Estimación de la transmitancia de cielo cubierto
Resultados
Irradiancia global
Modelamiento de las
propiedades ópticas de las
nubes
Irradiancia directa en
plano normal
Irradiancia difusa
Información satelital
• Se recibieron en la DMC: imágenes GOES 13 y 14 de canal visible (I) e infrarrojo (IR, IV).
Datos de entrada - Altitud
m.s.n.m.
Parámetros Climáticos -Junio
Temperatura
ºC
Humedad
Relativa
%
Albedo de
Superficie
%
Visibilidad
km
Parámetros Climáticos - Diciembre
Temperatura
ºC
Humedad
Relativa
%
Albedo de
Superficie
%
Visibilidad
km
Cálculo de CCIeff
• Tres etapas
– Entrenamiento asistido
– Clasificación de las imágenes
– Cálculo de CCIeff
•
Se definen dos condiciones atmosféricas (clases)
•
Se consideran cuatro características
• Canal visible
• Canal infrarrojo
• Scatter phase
• Mes del año
Clase
Descripción
1
Cielo claro
2
Cielo cubierto
SP= Arcos(|A|∙|B|)
SP
A
B
Entrenamiento asistido
• Intervención del usuario para identificar las clases
ºC
%
Canal visible
Canal infrarrojo
Clasificación
Clase 1
•
Según SP, se selecciona entrenamiento
por imagen con
Clase 2
5
Clase 1
Clase 2
Canal
infrarrojo
Canal
infrarrojo
Canal visible
• Se utiliza el clasificador LDA para determinar las
zonas
Canal visible
Determinación de la CCIeff
Canal visible
Clasificación
CCIeff
𝐶𝐶𝐼𝑒𝑓𝑓 = 0
𝑪𝑪𝑰𝒆𝒇𝒇
𝐶𝐶𝐼𝑒𝑓𝑓 =
Cielo claro
Cielo
cubierto
0
100 %
(𝐶𝑎𝑛𝑎𝑙 1 − 𝐶𝑙𝑒𝑎𝑟 𝑆𝑘𝑦)
(𝐶𝑙𝑜𝑢𝑑 𝐶𝑙𝑎𝑠𝑠 − 𝐶𝑙𝑒𝑎𝑟 𝑆𝑘𝑦)
0
100 %
Transmitancia atmosférica
Parametrización de la atmósfera
Lectura de archivos de
entrada
Estimación de agua
precipitable
Cálculo de los propiedades
del sistema Sol-Tierra
Definición de las
propiedades de las nubes
Cálculo de las propiedades
ópticas de las nubes
Determinación de los
perfiles atmosféricos
Selección de tipo de
atmósfera
Selección de intervalo
espectral de radiación solar
Perfil atmosférico de
aerosoles
Cálculo de las propiedades
ópticas en cada capa
atmosférica
Cálculo de la transmitancia en condición de cielo claro
Cálculo de la transmitancia en condición de cielo cubierto
Estimación de las componentes de irradiación solar en la
superficie
Transmitancia atmosférica
• Utiliza modelo IGMK, desarrollado en Alemania
– Utiliza 135 bandas espectrales entre 0 y 4000 nm
– 30 niveles de atmósfera
• Se determina una atmósfera estándar a partir de la temperatura ambiente en la superficie
• Las nubes se consideran de tipo Altostratus, uniformemente distribuidas en dos capas
atmosféricas
• El flujo de radiación global incidente en la superficie para cada pixel, se obtiene de
Φ𝑔 = Φ0 𝜏𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 − 𝜏𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑 1 − 𝐶𝑒𝑓𝑓 + 𝜏𝑐𝑙𝑜𝑢𝑑
Resultado general
Canal infrarrojo
Canal visible
%
0
100
Clasificación
CCIeff
%
ºC
-70
70
Irradiancia global
Cielo
claro
Cielo
cubierto
0
100
W/m2
0
1300
Resultado general
Temperatura (°C)
Tipo de Atmósfera
Visibilidad (km)
Albedo de superficie (%)
Canal 1 (%)
Canal 4 (°C)
Irradiancia Global Horizontal (W/m2)
Altitud (m)
Tipo de cielo
Humedad relativa (%)
Cobertura de nubes
Irradiancia Directa Horizontal (W/m2)
Norte de Chile
(Antofagasta)
April 12, 2012
16:40 UTC
Generación de serie horaria
•
W/m2
Interpolación entre imágenes
07:30
08:30
09:30
10:30
11:30
12:30
13:30
14:30
15:30
16:30
17:30
18:30
19:30
20:30
Irradiancia
(W/m2)
x imagen
o interpolación
1000
500
0
0
12
Hora del día
24
Estimación de las componentes Difusa y DNI
• Se ajustó la aproximación BRL
– Difusa a partir de la Irradiancia Global en Plano Horizontal
𝐷𝐹 =
𝐷𝑖𝑓𝑓𝐻𝐼
1
=
𝐺𝐻𝐼
1 + 𝑒 𝛽0 +𝛽1 𝑘𝑡 +𝛽2 𝐴𝑆𝑇+𝛽3 𝛼+𝛽4 𝐾𝑡 +𝛽5 𝜓
• A partir de la Irradiancia Difusa y Global, se obtiene la DNI
𝐷𝑁𝐼 =
𝐺𝐻𝐼 − 𝐷𝑖𝑓𝑓𝐻𝐼
cos(𝜃)
𝛽𝒊
Constantes
𝑘𝑡
Índice de
claridad horario
AST
Tiempo solar
aparente
α
Altitud Solar
𝐾𝑡
Índice de
claridad diario
Ψ
Persistencia
Promedios Anuales
Irradiación
global
Irradiación
difusa
kWh/m
2
Irradiación
DNI
kWh/m
2
kWh/m
2
Comparación de resultados de GHI
1200
1200
Zona Norte
1000
1000
800
800
GHI estimada,
600
W/m2
GHI estimada,
600
W/m2
400
400
200
200
Zona Centro-Sur
0
0
0
200
400
600
800
1000
0
1200
200
400
600
800
GHI medida, W/m2
GHI medida, W/m2
MBE
kWh/m2
rMBE
%
RMSE
kWh/m2
rRMSE
%
MBE
kWh/m2
rMBE
%
RMSE
kWh/m2
rRMSE
%
-0,13
-2,1
0,57
8,9
2,4
0,4
70,0
12,8
Energía Total Diaria
Irradiancia Promedio Horaria
1000
1200
Comparación de resultados de Irrandiancia Difusa Horizontal
Medición
Estimación Chile-SR
Medición
1,0
1,0
0,9
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
Fracción
0,5
Difusa
0,4
0,6
Fracción
0,5
Difusa
0,4
0,3
0,3
0,2
0,2
0,1
0,1
0,0
Estimación Chile-SR
0,0
0,0
0,2
0,4
kt
Zona Norte
0,6
0,8
1,0
0,0
0,2
0,4
kt
0,6
Zona Centro-Sur
0,8
1,0
Modelo Chile-SR: Trabajo a Futuro
• Completar cobertura territorial
• Mejorar estimación de aerosoles
• Mejorar estimación de irradiancia Difusa y DNI
• Incorporar distintos tipos de nubes
• Procesar una mayor cantidad de imágenes
Conclusiones
• Existe una amplia variedad de modelos satelitales disponibles para estimar el recurso solar
• Este tipo de información abarca un gran territorio
• A mayor intervalo temporal se incrementa la precisión de la estimación
• Permite procesar información histórica
• En Chile se debe proceder con cautela dada la gran variedad de climas en el territorio
Gracias!
Cristian Cortés
Center for Solar Energy Technologies
Fraunhofer Chile Research
14 de agosto de 2015