CARTAS PRELIMINARES DE IRRADIACIÓN DIRECTA PARA ARGENTINA

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1 ASADES Avances en Energías Renovables y Meio Ambiente Vol. 12, Impreso en la Argentina. ISSN CARTAS PRELIMINARES DE IRRADIACIÓN DIRECTA PARA ARGENTINA C. Raichijk, H. Grossi Gallegos *, R. Righini GERSolar, Departamento e Ciencias Básicas, Universia Nacional e Luján, Rutas 5 y 7, (6700) Luján, Buenos Aires, ARGENTINA, Tel. /Fax: ( ) , gersolar@yahoo.com.ar RESUMEN: En este trabajo se presentan para Argentina cartas preliminares e los valores meios mensuales e irraiación irecta sobre plano horizontal y e irraiación irecta normal, obtenios meiante la aplicación e correlaciones empíricas e escomposición a partir e cartas e irraiación global meia mensual publicaas en trabajos anteriores. Se generan también cartas similares utilizano valores meios mensuales e la irraiación irecta publicaos en la página e NASA, ASDC/SSE DATA SET. Se calculan para too el país y para caa mes el esvío cuarático meio relativo, RMSE%, y el sesgo meio relativo, MBE%, comparano los valores obtenios en este trabajo y los publicaos por NASA, hallánose para Enero esvíos relativos e 30-31% y e 38-39% para Julio. Estos valores significativamente altos recalcan la necesia e contar en un futuro con registros sistemáticos e atos en tierra e la componente irecta e la irraiación solar inciente, lo que permitiría no solo valiar cualquier métoo e estimación el parámetro sino también evaluar el renimiento potencial e istintas aplicaciones con concentraores. Palabras clave: irraiación irecta, métoos e escomposición, cartas preliminares. INTRODUCCIÓN La irraiación irecta es un parámetro esencial para la evaluación el renimiento e cualquier sistema aplicao con colectores concentraores, como pueen ser las llamaas plantas solares térmicas e potencia cuyo esarrollo y perspectivas e implementación han crecio en los últimos años. A su vez, la confección e cartas con la istribución espacial e icho parámetro posibilitaría evaluar para istintas regiones el potencial tanto técnico como económico e una futura instalación. Sin embargo meiciones sistemáticas en tierra e irraiación irecta son en general poco frecuentes (prácticamente inexistentes en nuestro país) ebio a problemas e mantenimiento y al alto costo e los sistemas e meición, lo que impone la necesia e estimar la irraiación irecta meiante moelos que relacionen este parámetro con otras variables atmosféricas y meteorológicas isponibles. Existen básicamente os tipos e moelos para estimar la componente irecta, moelos e transferencia raiativa y moelos e escomposición. Dentro el primer grupo cabe estacar los istintos moelos parametrizaos e bana ancha bajo coniciones e cielo claro (Gueymar, 2003), que estiman la componente irecta en superficie tenieno en cuenta los procesos e atenuación atmosférica e la irraiación extraterrestre inciente como son la ispersión en moléculas e aire, vapor y aerosoles y la absorción ebia a ozono, contenio e agua y ióxio e carbono entre otros elementos. Los moelos e escomposición estiman meiante correlaciones empíricas la componente irecta a partir e valores isponibles e irraiación global. Broesamble et al. (2001) esarrollaron una herramienta e evaluación, enominaa STEPS, que permite simular el funcionamiento e una planta solar térmica estimano con alta resolución para amplias regiones el renimiento potencial e generación eléctrica y el costo por kwh generao que tenría localmente icho emprenimiento. Entre otros prouctos, pero como principal parámetro e cálculo, se generan mapas e irraiación irecta normal con una resolución espacial e 5x5 km 2 para valores meios horarios. Para ello se aplica el moelo e bana ancha e cielo claro e Bir (1984) moificao por un coeficiente e transmisión e nube. Como atos e entraa e este moelo se toman valores satelitales e espesor óptico e aerosol, vapor e agua y ozono y para la corrección por presión e la aeromasa atos georeferenciaos e altura. La evaluación e la atenuación ebio a la presencia e nubes se realiza analizano valores e los canales infrarrojo y visible el satélite meteorológico METEOSAT, los que permiten establecer umbrales para la conición libre e nubes y completamente nublao y efinir luego por interpolación linear el ínice e nubosia para caa pixel y caa ía. Siguieno la misma metoología se han confeccionao cartas e irraiación irecta normal para 13 países e América Latina, África y Asia entro el marco el Proyecto SWERA (Solar an Win Energy Resource Assessment) bajo el auspicio e UNEP (Unite Nations Environment Programme) como se expone en Schillings et al. (2002), sieno Brasil el único país participante e América el Sur. Como anteceente en el empleo e moelos e escomposición para estimar la componente irecta, tanto normal como sobre plano horizontal, a partir e valores meios o estimaos e irraiación global se encuentra el trabajo e Estraa-Cajigal Ramírez et al. (2005) para la República e México. En el presente trabajo y en forma preliminar, ebio básicamente a la ausencia e atos e tierra que permitan valiar los resultaos obtenios, se confeccionan cartas e los valores meios mensuales e irraiación irecta sobre plano horizontal y e irraiación irecta normal para la República Argentina meiante moelos e escomposición a partir 11.01

2 e cartas e irraiación global meia mensual para los istintos meses el año presentaos en trabajos anteriores (Righini et al. 2004, 2005). Por otro lao se generan las mismas cartas a partir e valores publicaos por NASA en su página ASDC/SSE (Atmospheric Science Data Center/Surface meteorology an Solar Energy ata set). Con el objeto e comparar los valores preliminares estimaos en este trabajo con valores e libre acceso publicaos por NASA se calculan el esvío cuarático meio relativo, RMSE%, y el sesgo meio relativo, MBE%, entre estos valores en too el territorio y para caa mes el año. MATERIALES Y MÉTODOS Para estimar la componente irecta a partir e valores meios e irraiación global se emplean istintas correlaciones empíricas. En primer lugar se estima la fracción ifusa iaria meia mensual meiante la correlación propuesta por Page (1961): H H = 1,00 1,13 K (1) t sieno H la irraiación ifusa iaria meia mensual, H la irraiación global iaria meia mensual sobre plano horizontal y K t = H H 0 el ínice e claria meio mensual. Page consieró los promeios mensuales e irraiación solar global y ifusa meios urante períoos e iferente extensión (e 12 a 60 meses) en 10 estaciones ubicaas a iferentes alturas (e 5 a 1700 m s.n.m.), bajo coniciones climáticas iversas entre las latitues 40 N y 40 S, y estableció para caa una e ellas una relación lineal entre los promeios e la fracción e irraiación ifusa a global en función el promeio el ínice e claria, sieno una e las ificultaes a solucionar en el trabajo el saber si se había aplicao correctamente la corrección por bana sombreaora. Los valores obtenios para la peniente iban e 0,95 a 1,43, mientras que los e la orenaa al origen variaban entre 0,72 y 1,20. En Argentina, se eterminaron para Ushuaia los valores 0,85 y -0,74 (Grossi Gallegos et al., 2006) y para San Miguel, 1,36 y -1,11 (Grossi Gallegos et al., 2003). Sin embargo, un trabajo e Ma e Iqbal (1984) eterminó que la correlación e Page era la más simple y a la vez, precisa. Algo similar verificó Bashahu (2003) en Dakar. A partir e (1) se estima la componente irecta sobre plano horizontal: H b = H H (2) Luego, con el objeto e estimar la irraiación irecta normal, se aplican en primera instancia las correlaciones establecias por Collares-Pereira y Rabl (1979) para obtener los valores meios e la irraiación global horaria h y su componente ifusa h, ambas sobre plano horizontal: ( )( ) π 24 a + b cosω cosω - cosω sen ω πω /180º cosω h H = (3) s s s s en one ωs es el valor meio mensual el ángulo horario e salia el sol, ω el ángulo horario el centro el intervalo horario meio respecto al meioía solar, ambos meios en graos, y: Para la componente ifusa se plantea (Collares-Pereira y Rabl,1979): ( ω 60 º ) a = 0, ,5016 sen (4) s ( ω 60 º ) b = 0,6609 0,4767 sen (5) s ( ) π 24 cosω - cosω sen ω πω /180º cos ω h H = (6) s s s s Conocieno los valores meios horarios e la irraiación global y ifusa se eterminan por iferencia los valores meios horarios e la componente irecta sobre plano horizontal. Estos se proyectan a un plano perpenicular a la irraiación inciente para finalmente integrarlos a lo largo el ía central e caa mes y obtener así los valores meios mensuales e la irraiación irecta normal. Como ato e entraa el moelo se utilizaron las cartas e valores iarios meios mensuales e la irraiación global para Argentina publicaas en trabajos anteriores (Righini et al., 2004, 2005). En icha oportunia se obtuvieron 11.02

3 primero, en un número restringio e estaciones en las que se miieron simultáneamente las horas e brillo solar y la irraiación global iarias, las constantes e la ecuación e Ångström-Prescott para caa mes. Utilizano el métoo e kriging se trazaron las curvas e istribución espacial e ichas constantes para too el país. Luego, tenieno en cuenta los atos e horas e brillo solar registraos en un elevao número e estaciones, se obtuvieron por el métoo e interpolación antes mencionao las cartas con la istribución e las horas relativas e brillo solar; se operó sobre ellas con la ya citaa ecuación lineal, estimánose así los valores meios mensuales e la irraiación solar global iaria para too el territorio. En este trabajo, para caa punto e la grilla e valores obtenia en las cartas antes mencionaas se aplicaron primero las correlaciones (1) y (2) obtenieno e esta manera los valores iarios meios mensuales e la componente irecta sobre plano horizontal. Luego, meiante las correlaciones (3-6), y tal como se explicó con anterioria, se obtuvieron los valores iarios meios mensuales e la irraiación irecta normal en caa punto; finalmente, empleano kriging se generaron las cartas para too el país. Por otra parte, a partir e valores iarios meios mensuales e irraiación solar global, ifusa y irecta normal e libre acceso publicaos por NASA se generaron para Argentina, por un lao, cartas e la componente irecta sobre plano horizontal aplicano la expresión (2); y por otro, cartas e irraiación irecta normal. Se eterminaron para too el territorio y caa mes el esvío cuarático meio relativo porcentual, RMSE%, y el sesgo meio relativo porcentual, MBE%, entre los valores obtenios en este trabajo y los publicaos por NASA, meiante las siguientes expresiones, sieno n el número e puntos e la grilla con valores corresponientes para caa mes: RMSE% ( H H ) est NASA 2 n 1 / 2 = 100 % (7) H est n MBE% ( H H ) = est NASA 100 % (8) H est RESULTADOS Y DISCUSIÓN Un análisis e regresión practicao entre los valores meios mensuales estimaos SSE (Surface meteorology an Solar Energy ata set ) versus los e la BSRN (Baseline Surface Raiation Network) para el períoo que va e Julio e 1983 a Junio e 2006 le permite afirmar a la NASA que los mismos, para la irraiación irecta normal, presentan un RMSE% e 20,93% y un MBE% e 2,40% para la zona e cobertura comprenia entre los 60 S y el ecuaor, evaluaos sobre toos los meses el año, mientras que para las estimaciones e la irraiación global an valores e RMSE% e 8,71% y e MBE% e 0,29%. Vale la pena recorar que el objetivo e la BSRN es proveer observaciones e los flujos e irraiación solar e onas corta y larga en superficie e la mejor calia posible; estas lecturas se toman en un pequeño número e estaciones selectas (35 operativas actualmente), ubicaas en zonas climáticas contrastantes, permitieno así la valiación y evaluación e las estimaciones satelitales. Si se comparan los valores meios mensuales e irraiación global obtenios en trabajos anteriores (Righini et al., 2004, 2005) con las estimaciones publicaas por NASA se obtienen valores e RMSE% y MBE% e 14% y -9% para Enero y e 14% y -10% para Julio, manifestano una sobrevaloración por parte e los atos e NASA respecto e los estimaos en los trabajos citaos. Se presentan en las siguientes figuras los mapas trazaos con atos estimaos para Argentina, comparánolos con los obtenios con los atos e NASA

4 Figura 1. Distribución espacial e los valores iarios meios mensuales e la componente irecta sobre plano horizontal corresponientes a Enero estimaos en este trabajo (izq.) y utilizano valores publicaos por NASA (er.), expresaos en kwh/m 2. Figura 2. Distribución espacial e los valores iarios meios mensuales e la componente irecta sobre plano horizontal corresponientes a Julio estimaos en este trabajo (izq.) y utilizano valores publicaos por NASA (er.), expresaos en kwh/m

5 Figura 3. Distribución espacial e los valores iarios meios mensuales e la irraiación irecta normal corresponientes a Enero estimaos en este trabajo (izq.) y utilizano valores publicaos por NASA (er.), expresaos en kwh/m 2. Figura 4. Distribución espacial e los valores iarios meios mensuales e la irraiación irecta normal corresponientes a Julio estimaos en este trabajo (izq.) y utilizano valores publicaos por NASA (er.), expresaos en kwh/m 2. Observano las Figuras 1 y 2 por un lao y las Figuras 3 y 4 por otro se avierte en general una aceptable corresponencia entre las isolíneas trazaas, tanto para Enero como para Julio, pero no para los valores e las 11.05

6 mismas. Al comparar las cartas e la componente irecta sobre plano horizontal se obtuvieron valores e RMSE% y MBE% e 30% y -21% para Enero y e 38% y -28% para Julio, mientras que para las cartas e irraiación irecta normal resultaron e 31% y -22% para Enero y e 39% y -29% para Julio, inicano siempre una sobrevaloración importante por parte e los valores publicaos por NASA. El aumento en los esvíos respecto a los valores obtenios al comparar las estimaciones e la irraiación global se puee explicar basánose en la baja precisión con que han sio eterminaas las correlaciones empíricas utilizaas en este trabajo. A manera e ejemplo se presenta en la Figura 5 la istribución e valores hallaa en Ushuaia al tratar e correlacionar linealmente, como propone Page en (1), la fracción ifusa iaria meia mensual con el corresponiente ínice e claria. 1.0 K (H / H) R 2 = K t (H / Ho) Figura 5. Correlación lineal entre la fracción ifusa iaria meia mensual con el promeio el ínice e claria, según Grossi Gallegos et al. (2006). CONCLUSIONES Se generaron para Argentina cartas preliminares e valores iarios meios mensuales e irraiación irecta sobre plano horizontal y e irraiación irecta normal a partir e otras elaboraas anteriormente con la istribución e los promeios mensuales e la irraiación solar global recibia sobre plano horizontal. Los mismos, si bien no pueen ser valiaos ya que se carece e atos en tierra el parámetro, permiten ientificar en primera instancia zonas e interés para posibles aplicaciones con concentraores ao los elevaos valores obtenios. Al comparar los valores estimaos en este trabajo con los e libre acceso publicaos por NASA se observan significativas iferencias. Esto no hace más que recalcar la necesia e realizar campañas e meición e la componente irecta en el país lo que permitiría un mejor conocimiento el recurso energético en vista e futuras aplicaciones y la posibilia e valiar cualquier estimación que se haga el parámetro. REFERENCIAS Bashahu, M. (2003) Statistical comparison of moels for estimating the monthly average aily iffuse raiation at a subtropical African site. Solar Energy 75, Bir R. E. (1984) A simple solar spectral moel for irect-normal an iffuse horizontal irraiation. Solar Energy 32 4, Broesamle H., Mannstein H., Schillings C., Trieb F. (2001) Assessment of solar electricity potentials in North Africa base on satellite ata an a geographic information system. Solar Energy 70, 1, Collares-Pereira M. an Rabl A. (1979) The average istribution of solar raiation correlations between iffuse an hemispherical an between aily an hourly insolation values. Solar Energy 22, 2, Estraa-Cajigal Ramírez V., Almanza Salgao R. (2005) Irraiaciones global, irecta y ifusa, en superficies horizontales e inclinaas, así como irirraiación irecta normal, en la República Mexicana. Disponible en Grossi Gallegos H., Roberti A., Renzini G. y Sierra V. (2003) Algunos comentarios sobre el moelo e Suehrcke y su aplicación en Argentina. Avances en Energías Renovables y Meio Ambiente, 7, 2, versión CD- ROM.. Grossi Gallegos H., Roberti A. y Sierra V. (2006) Análisis e los atos e irraiación solar isponibles en Ushuaia, Argentina. Avances en Energías Renovables y Meio Ambiente 10, versión CD-ROM. Gueymar C. (2003) Direct solar transmittance an irraiance preictions with broaban moels. Part I: etaile theoretical performance assessment. Solar Energy 74, 5, Ma, C. C. Y. an Iqbal, M. (1984) Statistical comparison of solar raiation correlations Monthly average global an iffuse raiation on horizontal surfaces. Solar Energy 33, 2,

7 NASA/ASDC-Atmospheric Science Data Center/SSE -Surface meteorology an Solar Energy ata set. Disponible en Page, J.K. (1961) The estimation of monthly mean values of aily total short wave raiation on vertical an incline surfaces from sunshine recors for latitues 40 N-40 S. In Proc. U.N. Conf. on New Sources of Energy, Paper No. S98 vol. 4, pp Righini R., Grossi Gallegos H. y Raichijk C. (2004) Trazao e nuevas cartas e irraiación solar global para Argentina a partir e horas e brillo solar (heliofanía). Energías Renovables y Meio Ambiente 14, Righini R., Grossi Gallegos H. an Raichijk C. (2005) Approach to rawing new global solar irraiation contour maps for Argentina. Renewable Energy 30, Schillings C., Pereira E. B., Perez R., Meyer R., Trieb F. an Renné D. (2002) High resolution solar energy resource assessment within the UNEP-Project SWERA. Proc. of Worl Renewable Energy Congress VII, Cologne, Germany, 1-5. ABSTRACT In this work, preliminary charts of mean monthly values of irect raiation on horizontal plane an normal irect raiation arte presente for Argentina, obtaine by means of the application of empirical correlations of ecomposition from previous publishe charts of mean monthly global raiation. Similar charts are generate using mean monthly values of irect raiation publishe by NASA in ASDC/SSE DATA SET. For all the country an for every month Relative Mean Square Error, RMSE, an Mean Bias Error, MBE, between the values obtaine in this work an publishe by NASA are calculate, fining for January the relative eflections of 30-31% an 38-39% for July. These high significant values stress the necessity for counting in the future on systematic recors of surface ata of the irect component of the incient solar raiation, which woul allow not only to valiate any metho of estimation of the parameter but also to evaluate the potential yiel of ifferent applications with concentrators. Key wors: irect raiation, ecomposition moels, preliminary charts