ESTIMACIÓN SATELITAL DEL RECURSO SOLAR: MODELO CHILE-SR

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1 ESTIMACIÓN SATELITAL DEL RECURSO SOLAR: MODELO CHILE-SR Center for Solar Energy Technologies Cristian Cortés 14 de agosto de 2015

2 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

3 Estimación de la irradiación solar en la superficie Absorbida Infrarroja emergente 70 Reflejada 29 Procesos atmosféricos 45 Absorbida 104 Radiación terrestre Gases de efecto invernadero 88 Efecto invernadero

4 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

5 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

6 Metodología de Estimación Satelital Al disminuir la resolución temporal de la información requerida, aumenta la precisión de los resultados Incertidumbre (-+%) GHI Alta Incertidumbre SolarGIS Baja Incertidumbre SolarGIS Sensor Second Class Sensor First Class Sensor Secondary Standard Horario Diario Mensual Anual

7 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 Imagen satelital Aerosoles Vapor de agua Tamaño aprox. de la grilla 2,7 x 3,0 km 85 a 125 km 35 a 55 km Aerosoles ~125 km Vapor de agua ~125 km Imagen satelital ~3 km 0 50 km

8 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

9 Diferencia entre medición y estimación satelital Planta Termosolar (200 MW~2x2 km 2 ) Pixel de imagen satelital (~3x4 km 2 ) Medición en terreno (~2x2 cm 2 )

10 Diferencia entre medición y estimación satelital Med. Est. W/m 2 Hora del día

11 Diferencia entre medición y estimación satelital Med. Est. W/m 2 Hora del día

12 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

13 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

14 Modelo Chile-SR Información satelital Imágenes del satélite GOES 13 Determinación del índice de cobertura efectiva de nubes CCI eff Información climática Temperatura, albedo de superficie, humedad relativa, visibilidad, altitud Procesamiento de la información Parametrización de la atmósfera Modelación de los aerosoles atmosféricos Modelamiento del agua precipitable Propiedades del sistema Sol - Tierra Modelación de los gases atmosféricos Modelamiento de las propiedades ópticas de las nubes Estimación de la transmitancia de cielo claro Estimación de la transmitancia de cielo cubierto Irradiancia global Resultados Irradiancia directa en plano normal Irradiancia difusa

15 Información satelital Se recibieron en la DMC: imágenes GOES 13 y 14 de canal visible (I) e infrarrojo (IR, IV).

16 Datos de entrada - Altitud m.s.n.m.

17 Parámetros Climáticos -Junio Temperatura º C Humedad Albedo de Relativa % Superficie % Visibilidad km

18 Parámetros Climáticos - Diciembre Temperatura Humedad Albedo de Relativa Superficie % º C % Visibilidad km

19 Cálculo de CCI eff Tres etapas Entrenamiento asistido Clasificación de las imágenes Clase Descripción Cálculo de CCI eff Se definen dos condiciones atmosféricas (clases) 1 Cielo claro 2 Cielo cubierto Se consideran cuatro características Canal visible Canal infrarrojo Scatter phase Mes del año SP B SP= Arcos( A B ) A

20 Entrenamiento asistido Intervención del usuario para identificar las clases % ºC Canal visible Canal infrarrojo

21 Clasificación Clase 1 Clase 2 Según SP, se selecciona entrenamiento por imagen con 5 Canal infrarrojo Clase 1 Clase 2 Canal infrarrojo Canal visible Se utiliza el clasificador LDA para determinar las zonas Canal visible

22 Determinación de la CCI eff Clasificación Canal visible CCIeff CCI eff = 0 CCI eff CCI eff = (Canal 1 Clear Sky) (Cloud Class Clear Sky) Cielo claro Cielo cubierto % 0 100%

23 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

24 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 Φ g = Φ 0 τ clear τ cloud 1 C eff + τ cloud

25 Resultado general Canal visible Canal infrarrojo Clasificación CCI eff Irradiancia global % ºC % W/m Cielo claro Cielo cubierto

26 Resultado general Temperatura ( C) Tipo de Atmósfera Visibilidad (km) Altitud (m) Humedad relativa (%) Albedo de superficie (%) Canal 1 (%) Canal 4 ( C) Tipo de cielo Cobertura de nubes Irradiancia Global Horizontal (W/m 2 ) Irradiancia Directa Horizontal (W/m 2 ) Norte de Chile (Antofagasta) April 12, :40 UTC

27 Generación de serie horaria Interpolación entre imágenes W/m 2 20:30 19:30 18:30 17:30 16:30 15:30 14:30 13:30 12:30 11:30 10:30 09:30 08:30 07:30 Irradiancia (W/m 2 ) 1000 x imagen o interpolación Hora del día

28 Estimación de las componentes Difusa y DNI Se ajustó la aproximación BRL Difusa a partir de la Irradiancia Global en Plano Horizontal DF = DiffHI GHI = A partir de la Irradiancia Difusa y Global, se obtiene la DNI e β 0+β 1 k t +β 2 AST+β 3 α+β 4 K t +β 5 ψ β i k t AST α K t Ψ Constantes Índice de claridad horario Tiempo solar aparente Altitud Solar Índice de claridad diario Persistencia DNI = GHI DiffHI cos(θ)

29 Promedios Anuales Irradiación global kwh/m 2 Irradiación difusa kwh/m 2 Irradiación DNI kwh/m 2

30 Comparación de resultados de GHI Zona Norte GHI estimada, 600 W/m2 GHI estimada, 600 W/m Zona Centro-Sur 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

31 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

32 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

33 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

34 Gracias! Cristian Cortés Center for Solar Energy Technologies Fraunhofer Chile Research 14 de agosto de 2015