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Métodos para estimación del recurso solar Geovanna Villacreses Mayo 2015 AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Introducción La radiación solar que llega a la tierra es una de las energías naturales renovables más importantes (Bakirci, 2009), actualmente esta fuente de energía se utiliza para muchas aplicaciones de ingeniería como el diseño solar fotovoltaico y los sistemas de energía solar térmica (Wu & Keong-Chan, 2013). Sin embargo, la medición de la radiación solar no está disponible para todos los países del mundo debido a dificultades técnicas (Benmouiza & Cheknane, 2013) y a las escasas red de estaciones que permitan las interpolaciones de valores medidos (Bojanowski et al., 2013). AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Tratamiento estadístico de los datos • Los datos no se pueden considerar 100% fiables. • Análisis de los datos. • Control de calidad: o Corrección de datos atípicos o Relleno de datos faltantes • Análisis univariente y multivariante para detectar los outliers. AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Estimación del recurso solar Entre los métodos de estimación de la radiación solar más utilizados podemos destacar: - Modelos estadísticos: regresiones variables meteorológicas. con otras - Interpolar valores a partir de medidas de la radiación solar en estaciones. - Modelos de estimación con imágenes de satélite. AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Modelos estadísticos Los modelos paramétricos presentan una complejidad intermedia; se basan en el conocimiento de variables atmosféricas frecuentemente disponibles o derivables a partir de otros datos: Modelos estadísticos Regresión lineal sugerida por Ångström-Prescott (1924), describe la correlación entre la proporcionalidad de la radiación solar directa y la radiación solar terrestre, y la duración de horas de sol medida y la duración de sol teórica. 𝐻𝐺 𝑆 =𝑎+𝑏 𝐻𝑂 𝑆𝑂 Donde: Los coeficientes a y b para los distintos modelos corresponden a coeficientes empíricos de ajuste. 𝐻𝐺 = radiación solar medida 𝐻𝑂 = radiación solar extraterrestre (teórica) 𝑆= duración de horas de sol medida 𝑆𝑜 = duración de las horas de sol teórica Modelos estadísticos Regresión lineal sugerida por Ögelman, Ecevit y Tasdemiroglu (1984) quienes, al igual que Angström-Prescott, establecen la correlación entre las proporcionalidades de la radiación solar y las horas de sol, pero plantean una ecuación cuadrática que describe el ajuste. 𝐻𝐺 𝑆 𝑆 =𝑎+𝑏 +𝑐 𝐻𝑂 𝑆𝑂 𝑆𝑂 2 Donde: Los coeficientes a , b y c para los distintos modelos corresponden a coeficientes empíricos de ajuste. 𝐻𝐺 = radiación solar medida 𝐻𝑂 = radiación solar extraterrestre (teórica) 𝑆= duración de horas de sol medida 𝑆𝑜 = duración de las horas de sol teórica Modelos estadísticos Benghamen, Mellit, y Alamria (2009), establecen una relación lineal entre la proporcionalidad de la radiación solar teórica y medida, y las proporcionalidades obtenidas entre la temperatura medida y la máxima y la humedad relativa medida y la máxima. 𝐻𝐺 𝑇 =𝑎+𝑏 𝐻𝑂 𝑇𝑚𝑎𝑥 𝐻𝐺 𝐻𝑅 =𝑎+𝑏 𝐻𝑂 𝐻𝑅𝑚𝑎𝑥 Donde: Los coeficientes a , b y c para los distintos modelos corresponden a coeficientes empíricos de ajuste. 𝐻𝐺 = radiación solar medida 𝐻𝑂 = radiación solar extraterrestre (teórica) 𝑇= temperatura HR= humedad relativa Modelos estadísticos Garcia, plantea la relación lineal entre la proporcionalidad de la radiación solar teórica y medida, y las proporcionalidades obtenidas entre la diferencia de temperaturas y el número de horas de sol. 𝐻𝐺 ∆𝑇 =𝑎+𝑏 𝐻𝑂 𝑁 Hargreaves, plantea la relación lineal entre la proporcionalidad de la radiación solar teórica y medida, y las proporcionalidades obtenidas entre la diferencia de temperaturas elevado a un coeficiente empírico. 𝐻𝐺 = 𝑎 + 𝑏(∆𝑇)0.5 𝐻𝑂 Modelos estadísticos Aplicación de modelos estadísticos. - Características del caso de estudio: o 10 estaciones meteorológicas o Estación meteorológica analizada: Chimborazo o Periodo analizado: 5 años Modelos estadísticos Model of Angstrom – Prescott Model of García Model of Hargreaves Modelos estadísticos Uso de redes neuronales Es un sistema de interconexión de neuronas que colaboran entre sí para producir un estímulo (producto) de salida. El objetivo del programador es modelar matemáticamente el problema en cuestión y posteriormente formular una solución (programa) mediante un algoritmo codificado que tenga una serie de propiedades que permitan resolver dicho problema. AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Interpolación de valores La interpolación es un proceso por el cual se define un valor en un punto cualquiera a partir de los valores conocidos en algunos puntos dados. Tipos de interpolación a partir de puntos: - Métodos globales Métodos locales Extrapolación Aproximaciones Interpolación de valores Métodos globales - Regresión y correlación Nombre x Alao Multitud Quimiag Tixan-Pistilli Atillo Tunshi Espoch Urbina Unach y 773499 722699 770084 749112 772610 764087 758398 754533 762268 9793173 9764910 9816393 9761342 9758048 9806678 9816965 9835326 9817296 Enero kwh/m2día NDVIener 4.306 0.402833 1.726 0.068332 5.003 0.688571 4.193 0.489428 4.157 0.450165 5.559 0.699344 5.289 0.311026 4.404 0.843397 3.772 0.355406 Interpolación de valores Métodos locales - TIN - Kriging Interpolación de valores Extrapolación: Los puntos a calcular no están entre dos nodos y la línea rectar que forman. Aproximación: los puntos a calcular están próximos pero no dentro del comportamiento del resto de la muestra. Los más conocidos son las regresiones lineal o, en general, los procesos de mínimos cuadrados. AGENDA 1. Introducción 2. Tratamiento estadístico de los datos 3. Estimación del recurso solar 3.1 Modelos estadísticos 3.2 Interpolación de valores 3.3 Modelo de estimación con imágenes satelitales Modelos de estimación con imágenes satelitales Esta metodología se destaca entre todas las demás de estimación de la radiación solar, siendo la herramienta recomendada por la Organización Meteorológica Mundial para la estimación de la radiación solar en ocasiones de ausencia de medidas radiométricas. Para aplicar esta metodología se necesita la utilización de imágenes de satélite que contengan la zona de estudio. Modelos de estimación con imágenes satelitales ¿Qué son las imágenes satelitales? Son imágenes tomadas por satélites que tienen como unidad principal el pixel. Cada píxel contiene información de ubicación y color y la particularidad de no poseer un tamaño definido, el mismo va a estar determinado por la resolución de la imagen. Modelos de estimación con imágenes satelitales La resolución: está principalmente relacionado con el número de pixeles y el tamaño dado en metros (como unidad principal dentro del píxel). En el tratamiento de imágenes de satélite para el cálculo de la radiación solar, una imagen es en realidad una tabla de valores que representan el valor detectado por el radiómetro del satélite en un área de terreno determinada. Modelos de estimación con imágenes satelitales Básicamente el propósito de todos los modelos de estimación de la radiación solar a partir de imágenes de satélite es estimar la irradiancia global en cada píxel de la imagen. Modelos de estimación con imágenes satelitales La variable a ser estimada es el promedio mensual de la radiación solar global expresada en kwh/m2/día. Procedimiento: 1. Complementar información para áreas desprovistas de estaciones meteorológicas. - Usar los datos proporcionados por la NASA (imágenes satelitales o datos calculados). - Estimación de datos a partir de otras variables obtenidas de información satelital. Modelos de estimación con imágenes satelitales a) Las imágenes satelitales deben contener nuestra zona de estudio. En este caso de estudio se escogió las imágenes del sensor MODIS. • Su toma de imágenes es cada 16 días (se puede tener entre 3 y 4 imágenes por mes). Resolución espacial de 250 m. https://lpdaac.usgs.gov/products/modis_products_table Modelos de estimación con imágenes satelitales La variable escogida para la estimación de datos es el índice de vegetación. • • El índice de vegetación oscila entre: -1 (zonas con vegetación escasa) hasta 1 (alta densidad de vegetación). Los valores negativos, pertenecen a nubes, nieve, agua, zonas de suelo desnudo y rocas. Modelos de estimación con imágenes satelitales Enero kwh/m2día 6 y = 5.9387x0.4103 R² = 0.7743 5 4 3 Analizar el patrón de comportamiento de la radiación global frente a los índices de cobertura vegetal. 2 Enero kwh/m2día 1 Potencial (Enero kwh/m2día) 0 • • Obtener una ecuación de predicción de datos solares. Como análisis complementario se verifica el coeficiente de determinación (R2). 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 donde: y = Radiación solar x= Índice de vegetación Modelos de estimación con imágenes satelitales d) Selección de puntos Alto : 5.559 Alto : 5.559 Bajo : 1.726 Bajo : 1.726 Se obtiene una base de datos de 40 puntos de radiación solar global promedio: 10 que pertenecen a las estaciones y 30 aleatorios Modelos de estimación con imágenes satelitales Modelos de estimación con imágenes satelitales Modelos de estimación con imágenes satelitales Fuente: ISES Webinar on Solar Resources Data Applications for Utility and Operations, 2015 Referencias: - Pinedo I. “La Radiación Solar y los Sistemas de Información Geográfica [Sección de libro] // Caracterización de la Radiación Solar como Recurso Energético”. Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas CIEMAT, Madrid, España. 2008. - D. Riveros-Rosas, C.A. Arancibia-Bulnes, R. Bonifaz, M.A. Medina, R. Pe_on, M. Valdes. “Analysis of a solarimetric database for Mexico and comparison with the CSR model”. México, 2013. - E. L. Maxwell. “Metstat-the solar radiation model used in the production of the national solar radiation data base (NSRDB)”. USA. 10 December 1997. - Velez Andrés. ¨Determinación de un modelo parámetrico para estimar la radiación solar¨. Grupo de Investigación en Tecnología Ambiental, Colombia 2013 - https://www.ises.org/index.php?id=2 INER Métodos para estimación del recurso solar Geovanna Villacreses [email protected] Mayo 2015