Aplicación de los modelos DirInt y DirIndex para estimar la irradiancia solar directa a partir de irradiancia global en Pamplona (Navarra)

Transcripción

1 Aplicación de los modelos DirInt y DirIndex para estimar la irradiancia solar directa a partir de irradiancia global en Pamplona (Navarra) M. de Blas 1*, J.L. Torres, J. Polo 2 y J. M. Vindel 2 1 Departamento de Proyectos e Ingeniería Rural. Edificio Los Olivos, Campus Arrosadía, Universidad Pública de Navarra, Pamplona, * : mblas@unavarra.es 2 Departamento de Energía, CIEMAT, Avda. Complutense 22, Madrid, jesus.polo@ciemat.es; Resumen En un trabajo previo se realizó un análisis comparativo de los resultados ofrecidos por dos modelos de estimación de irradiancia directa a partir de datos de irradiancia global medidos sobre plano horizontal: DirInt y DirIndex. En dicho trabajo, se partió de 9975 datos experimentales correspondientes a los años 2007 a 2010 medidos en la estación meteorológica de la Universidad Pública de Navarra, en Pamplona (latitud: N, longitud: -1.6 E, altitud: 435 m). Se concluyó que los resultados obtenidos con ambos modelos eran similares, si bien, debido al funcionamiento interrumpido de los equipos de medida en los años estudiados, ocasionado por múltiples paradas del sistema de seguimiento solar, se tenía una distribución de datos estacional poco uniforme que podía llevar a resultados polarizados. Por ello, se consideró conveniente ampliar el análisis a los años 2011 y 2012, en los que se consiguió un funcionamiento prácticamente continuo de los equipos de medida que permitió disponer de datos experimentales de gran calidad en la estación meteorológica indicada. Así, en el presente trabajo se aplica el modelo DirInt y el DirIndex combinado con tres modelos de transmitancia para cielo despejado, ESRA, SOLIS y REST2, lo que permite cuantificar la sensibilidad de DirIndex al modelo de cielo claro que se usa para su generación, mediante la comparación de los resultados de los modelos aplicados con datos terrestres. Para el análisis de sensibilidad se emplean estadísticos de primer y segundo orden. Los resultados obtenidos permiten avanzar en la aplicación de combinaciones adecuadas de modelos (clásicos, modelos de transmitancia u otros) con el fin de estimar de forma precisa la irradiancia directa. Palabras clave: Modelos estimación irradiancia directa, modelos sintéticos de cielo claro. Application of DirInt and DirIndex models for estimating Direct Normal Irradiance from Global Horizontal Irradiance data measured in Pamplona (Navarre) Abstract A previous publication exposed a comparative analysis of the results derived from two models, i.e. DirInt and DirIndex, that estimate direct normal irradiance from global horizontal irradiance data experimental data were used, measured from 2007 to in a weather station located at the Public University of Navarre in Pamplona, Spain (latitude: N, longitude: -1.6 E, altitude: 435 m). It was concluded that results from the two models were similar, although due to an intermittent operation of the measuring equipment in the years under study, caused by the multiple stops of the tracking system, an ununiformed stational data distribution was obtained, which could lead to biased results. For this reason, it was considered much convenient to extend the analysis to the years 2011 and 2012, when a continuous operation of the measuring equipment took place and, consequently, high quality experimental data were registered. In this paper the model DirInt is applied, as well

2 as the DirIndex combined with three clear sky transmittance models, i.e. ESRA, SOLIS and REST2. The results of the applied models were compared to direct normal irradiance ground data, thus also allowing analysis of the sensitivity of DirIndex to the clear sky model used for its generation. First and second order statistics are employed for the sensitivity analysis. The results allow progress in implementing appropriate combinations of models (classical, transmittance models or others) to accurately estimate the direct irradiance. Keywords: Direct normal irradiance models, synthetic clear sky models. Justificación El conocimiento de la irradiancia solar directa disponible en el plano perpendicular a los rayos solares en sistemas que emplean seguimiento solar es fundamental para el diseño de los sistemas de captación y la estimación de la producción de energía. Esta información es de particular interés en la planificación de plantas solares termoeléctricas. No obstante, son escasas las ubicaciones en las que existen pirheliómetros para la medida de la irradiancia directa, siendo necesario estimar con precisión dicha irradiancia a partir de valores de irradiancia global medidos con piranómetros ubicados en plano horizontal aplicando modelos matemáticos. En un trabajo anterior (Santana et al., 2012) se presentó una síntesis de la evolución de los modelos de estimación de irradiancia solar directa y se describieron las características de dos de ellos: Dirint (Perez et al, 1992) y DirIndex (Perez et al, 2002). Estos últimos se aplicaron para estimar la irradiancia directa a partir de irradiancia global medida experimentalmente en la estación meteorológica de la Universidad Pública de Navarra, en Pamplona (latitud: N, longitud: -1.6 E, altitud: 435 m). Se trataron 9975 datos experimentales, tomados entre los años 2007 a La precisión obtenida con los modelos empleados fue similar, aunque se observó que los datos experimentales no seguían una distribución anual ni estacional uniforme, debido a las múltiples interrupciones en el funcionamiento del sistema de seguimiento solar, lo que pudo llevar a resultados polarizados. En los años 2011 y 2012 el sistema de seguimiento solar que orienta el pirheliómetro y que sombrea el piranómetro horizontal que mide la irradiancia difusa funcionó de forma continuada, lo que permitió disponer de datos experimentales de irradiancia global, difusa y directa de alta calidad, por lo que se considera de interés ampliar el estudio realizado a los años citados y ver si los resultados obtenidos con el modelo Dirint y con el DirIndex combinado con tres modelos de transmitancia para cielo despejado: ESRA (Rigollier et al., 2000), SOLIS (Müeller et alt, 2004; Ineichen, 2008) y REST2 (Gueymard y Myers, 2008) son comparables a los de los años anteriores. También se pretende analizar la sensibilidad del modelo DirIndex al modelo de cielo claro empleado para su aplicación. Material y Métodos El sistema de seguimiento solar ubicado en la Finca de Prácticas de la Universidad Pública de Navarra es el modelo 2AP de la marca Kipp&Zonen. Dicho seguidor (Figura 1) orienta de forma continua en dirección de los rayos solares un pirheliómetro Kipp&Zonen modelo CH1 que mide la irradiancia directa y sustenta dos piranómetros CM21 de la misma marca, en plano horizontal El primero de ellos mide irradiancia global y el segundo irradiancia difusa, para lo que es sombreado de forma continua mediante una bola comandada por el sistema de seguimiento. Se registran datos cada diez minutos, si bien en este trabajo se emplean datos medios horarios de irradiancia global horizontal (GHI), irradiancia difusa horizontal (DHI) e irradiancia directa en plano perpendicular a los rayos solares (DNI). Los datos medidos experimentalmente se depuran aplicando los criterios de calidad recogidos en Gracia (2011) que han sido acordados por la comunidad científica europea en el proyecto MeSOR y aceptados por la Agencia Internacional de la Energía (IEA). Posteriormente, se realiza un segundo filtrado para eliminar los días en los que falta alguna medida intermedia, ya que la existencia de estos huecos dificulta la aplicación del modelo DirInt, que requiere

3 información de la situación anterior y posterior a aquella que se está tratando. Tras los citados controles de calidad se dispone de 2931 datos en el año 2011 y de 2296 en Figura 1. Seguidor solar de la Universidad Pública de Navarra Para el análisis de calidad de los modelos aplicados se emplean por una parte estadísticos de primer orden, como la desviación media relativa (MBDr) y la desviación media cuadrática relativa (RMSDr); y por otra parte, estadísticos de segundo orden consensuados en el proyecto MeSOR como parámetros de referencia para analizar la calidad de los datos de irradiancia obtenidos a partir de modelos (Beyer et al. 2009). Estos últimos estadísticos están basados en el análisis de funciones de distribución acumuladas según el test de Kolmogorov-Smirnov (KS) (Espinar et al. 2009). Resultados y Discusión Se procede a un análisis de la calidad de los cuatro modelos utilizados para estimar la irradiancia directa normal en Pamplona, esto es, el modelo Dirint y el modelo DirIndex combinado con tres modelos de cielo claro: ESRA, SOLIS y REST2. Los 5227 datos experimentales que han pasado el control de calidad establecido se distribuyen estacionalmente de la siguiente forma: primavera 29.2%, verano 24.2 %, otoño 22.8 % e invierno 23.8%. La Figura 2 muestra gráficamente la relación entre los valores de irradiancia directa normal calculados con los modelos y medidos en la estación de Pamplona. Puede observarse que la irradiancia calculada se aproxima de forma lineal a la medida, si bien los modelos subestiman ligeramente la irradiancia directa a valores altos de ésta. El modelo que presenta una mayor dispersión es el DirIndex con Solis. Este peor comportamiento del modelo indicado también se obtuvo en el estudio realizado anteriormente (Santana et al. 2012) para la serie de datos entre 2007 y 2010.

4 Figura 2. Comparación entre los datos de Irradiancia Directa Normal medidos en Pamplona en los años 2011 y 2012 y los calculados mediante los modelo DirInt (arriba, izquierda), DirIndex con ESRA (arriba, derecha), DirIndex con Solis (abajo, izquierda) y DirIndex con REST2 (abajo, derecha) La Tabla 1 recoge los valores estadísticos de primer y segundo orden resultantes de comparar los valores de DNI obtenidos con los modelos y los valores experimentales. Puede observarse que, para los datos analizados, el modelo DirInt es el que arroja, en general, mejores resultados, si bien el modelo DirIndex con ESRA ofrece una calidad de ajuste similar a DirInt. Los resultados del test de Kolmogorov-Smirnov para los modelos DirIndex SOLIS y DirIndex REST2 empeoran notablemente en relación con los dos primeros modelos. En el estudio de Santana et al. (2012) el modelo DirIndex SOLIS resultó ser el que ofrecía peores resultados. Tabla 1. Valores de la desviación media relativa (MBDR %), desviación cuadrática relativa (MBDR %); distancia de Kolmogorov-Smirnov; valor KSI (%) y OVER (%) correspondientes a la comparación de los valores de irradiancia directa normal experimentales de Pamplona y los estimados con los modelos indicados en los años 2011 y 2012 MBDR (%) MBDR (%) DK-S KSI (%) OVER (%) DirInt DirIndex ESRA DirIndex SOLIS DirIndex REST

5 La Figura 3 muestra el resultado gráfico de comparar la distancia Dn entre las frecuencia acumuladas de las funciones de distribución de la irradiancia directa normal estimadas con los modelos y medidas experimentalmente, para el rango de irradiancia de 0 a 1000 W/m 2. Se considera que los datos comparados proceden de la misma distribución si el valor Dn no supera el valor crítico que, para el tamaño de la muestra estudiada, es de Puede observarse que el modelo DirInt únicamente supera el valor crítico para valores bajos de irradiancias, inferiores a 100 W/m 2,. El modelo DirIndex REST2 supera ampliamente dicho valor crítico para el rango de irradiancias entre 500 y 900 W/m 2 y el DirIndex SOLIS también lo supera a partir de 800 W/m2. El modelo DirIndex ESRA supera ligeramente el valor crítico para irradiancias cercanas a 700 W/m 2. Figura 3. Valor de Dn obtenido para los datos de Irradiancia Directa Normal medidos en Pamplona en los años 2011 y 2012 y los calculados mediante los modelo DirInt, DirIndex con ESRA, DirIndex con Solis y DirIndex con REST2. El valor crítico es Conclusiones Para el conjunto de datos analizados el modelo de estimación de irradiancia directa normal que ofrece mejores resultados en las condiciones de cielo de Pamplona es el DirInt. Este modelo también resultó ser el más preciso en un estudio realizado anteriormente. Si se tiene en cuenta que la aplicación del modelo DirInt resulta más sencilla que la de los modelos DirIndex, que requieren disponer de información de condiciones de cielo claro además de necesitar ejecutar el modelo DirInt dos veces, puede concluirse que el modelo DirInt resulta ser el más adecuado de los analizados para modelar la irradiancia directa normal en Pamplona. La aplicación de esta metodología a otras localidades es de gran interés para analizar si este comportamiento se mantiene en otros lugares. Los resultados obtenidos al aplicar el modelo DirIndex son muy sensibles a los modelos sintéticos de cielo claro considerados para su estimación, por lo que es importante analizar la calidad de los citados modelos y utilizar para su aplicación los datos atmosféricos que requieren de la mayor precisión posible, en cuanto a resolución espacial y temporal. Bibliografía Beyer, H.G., Polo, J., Suri, M., Torres, J.L., Lorenz, E., Müller, S.C., Hoyer-Klick, C. and Ineichen P. (2009). D Report on Benchmarking of Radiation Products, pp , in MESOR Management and Exploitation of Solar Resource Knowledge,

6 Espinar, B., Ramírez, L., Drews, A., Beyer, H.G., Zarzalejo, L.F., Polo, J. and Martín, L. (2009). Analysis of different comparison parameters applied to solar radiation data from satellite and German radiometric stations, Solar Energy 83 (1), Gracia A. (2011). Distribución angular de radiancia en la bóveda celeste. Aplicación en el cálculo de radiación solar en planos situados en entornos complejos, pp , Universidad Pública de Navarra, Tesis Doctoral. Ineichen, P. (2008). Comparison and validation of three global-to-beam irradiance models against ground measurements. Solar Energy 82 (6), Mueller, R.W., Dagestad, K.F., Ineichen, P., Schroedter-Homscheidt, M., Cros, S., Dumortier, D., Kuhlemann R., Olseth, J.A., Piernavieja, G., Reise, C., Wald, L. and Heinemann (2004). Rethinking satellitebased solar irradiance modeling: The SOLIS clear-sky module. Remote Sensing of Environment 91, Perez, R., Ineichen, P., Maxwell, E., Seals, R. and Zelenka A. (1992). Dynamic global to direct irradiance conversion models. ASHRAE Transaction Research Series. Publised by: American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, Perez, R., Ineichen, P., Moore, K., Kmiecik, M., Chain C., George R. and Vignola, F. (2002). A new operational model for satellite derived irradiances: description and validation. Solar Energy 73 (5), Rigollier, C., Bauer, O. and Wald L. (2000). On the clear sky model of the 4th European Solar Radiation Atlas with respect to the Heliosat method. Solar Energy 68(1), Santana, S., Torres,J.L., de Blas, M., García, A., Polo, J. (2012). Estimación de la irradiancia solar directa a partir de la irradiancia global: aplicación de los modelos DirInt y DirIndex. Actas del XV Congreso Iberoamericano de Energía Solar, Vigo; Galicia, España, junio 2012,