Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de ...

MINISTERIODE ECONOMÍAY COMPETITIVIDAD

1259Junio, 2012

Informes Técnicos Ciemat

GOBIERNODE ESPAÑA Centro de Investigaciones

Energéticas, Medioambientales

y Tecnológicas

Generación de Mapas de

Radiación Solar a partir de

Satélites Geoestacionarios:Mapas de España

J. Polo

Informes Técnicos Ciemat 1259Junio, 2012

Departamento de Energía

Generación de Mapas de Radiación Solar a partir deSatélites Geoestacionarios:Mapas de España

J. Polo

Toda correspondencia en relación con este trabajo debe dirigirse al Servicio de In-formación y Documentación, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Ciudad Universitaria, 28040-MADRID, ESPAÑA.

Las solicitudes de ejemplares deben dirigirse a este mismo Servicio.

Los descriptores se han seleccionado del Thesauro del DOE para describir las ma-terias que contiene este informe con vistas a su recuperación. La catalogación se ha hecho utilizando el documento DOE/TIC-4602 (Rev. 1) Descriptive Cataloguing On-Line, y la cla-sificación de acuerdo con el documento DOE/TIC.4584-R7 Subject Categories and Scope publicados por el Office of Scientific and Technical Information del Departamento de Energía de los Estados Unidos.

Se autoriza la reproducción de los resúmenes analíticos que aparecen en esta pu-blicación.

Depósito Legal: M -26385-2011ISSN: 1135 - 9420NIPO: 721-12-030-0

Editorial CIEMAT

Catálogo general de publicaciones oficialeshttp://www.060.es

CLASIFICACIÓN DOE Y DESCRIPTORES

S14MAPS; SOLAR RADIATION; ENERGY SOURCES; SATELLITES; IMAGES;IRRADIATION; SPAIN

Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España

Polo, J.38 pp. 26 ref. 29 figs. 4 tablas

Resumen:La elaboración de mapas de radiación solar tiene gran interés de cara al estudio de la variabilidad espacial de la radia-ción solar y su potencial explotación como recurso energético. En el presente documento se describe la metodología del Ciemat para la generación de estos mapas de radiación solar a partir de imágenes de satélites geoestacionarios. Asimismo, se muestran mapas de España de irradiación global horizontal y directa normal

Solar Radiation Maps derived from Geostationary Satellites: Maps of Spain

Polo, J.38 pp. 26 ref. 29 figs. 4 tables

Abstract:A study on the comparison and evaluation of 4 miniaturized extraction methods for the determination of selected PAHs in clear waters is presented. Four types of liquid-liquid extraction were used for chromatographic analysis by HPLC/FD. The main objective was the optimization and development of simple, rapid and low cost methods, minimizing the use of extracting solvent volume. The work also includes a study on the scope of the methods developed at low and high levels of concentration.

Generación de Mapas de Radiación Solar apartir de Satélites Geoestacionarios:

Mapas de España

J. Polo

División de Energías RenovablesDepartamento de Energía

CIEMAT

INDICE

1 INTRODUCCIÓN 1

2 METODOLOGIA DE CALCULO 3

2.1 Indice de nubosidad y cálculo de la Irradiancia global horizontal 3

2.2 Descripción de los modelos de cielo despejado 5

2.2.1 Modelo de cielo despejado ESRA 52.2.2 Modelo Solis simplificado 62.2.3 Modelo REST2 7

2.3 Cálculo de la Irradiancia directa normal 8

2.4 Metodología para el cálculo de mapas 9

3 MAPAS DE RADIACION SOLAR DE ESPAÑA 11

4 EVALUACION DE LA INCERTIDUMBRE 15

5 CONCLUSIONES 19

6 REFERENCIAS 21

APENDICE I: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLAR GLOBALHORIZONTAL 25

APENDICE II: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLAR DIRECTANORMAL 32


1

1 INTRODUCCIÓN

El conocimiento preciso de las distintas componentes de la radiación solar en la

superficie terrestre es de gran interés en diversas áreas científicas y tecnológicas

relacionadas con la energía, el medioambiente, el clima, la arquitectura y la agricultura.

En el caso concreto de sistemas de energía solar el análisis fiable del recurso solar

disponible constituye el primer paso en todo proyecto ya que suministra información

valiosa y crucial para el diseño y dimensionamiento del sistema, para las estimaciones

de producción energética, y para la toma de decisiones. Así, el suministro y análisis de

información sobre la irradiación solar específica de un lugar teniendo en cuenta además

la tecnología a usar y su aplicación constituye la base de lo que se conoce con el nombre

de Evaluación del Recurso Solar.

La irradiancia solar en superficie es ampliamente medida y registrada en muchas estaciones de

medida repartidas por todo el mundo. Sin embargo, estas redes de medida no tienen la suficiente

densidad geográfica como para poder responder a la variabilidad espacial de la radiación solar.

En consecuencia, actualmente se acepta la metodología de estimación de la radiación solar a

partir de imágenes de satélite como una herramienta excelente para la evaluación del recurso

solar y el suministro de series temporales de las distintas componentes de la irradiancia solar

(Zelenka et al., 1999; Vignola et al., 2007; Hoyer-Klick et al., 2009). La metodología de

estimación de la radiación solar a partir de información satelital ha evolucionado a lo largo de

los últimos 30 años incorporando los resultados de la experiencia, y diversos desarrollos

novedosos y mejoras en los modelos; así, existen en la literatura muchos estudios desde los

comienzos (Gautier et al., 1980; Moser and Raschke, 1983; Cano et al., 1986) hasta la

actualidad (Perez et al., 2002; Mueller et al., 2004; Rigollier et al., 2004; Schillings et al., 2004).

Una visión general resumida de toda esta metodología se puede encontrar en (Polo J. et al.,

2008).

Los satélites que observan el sistema Tierra-atmósfera reciben parte de la radiación

solar incidente en el mismo. La interacción de la radiación solar con los constituyentes

atmosféricos se realiza por medio de dos mecanismos de interacción de la radiación

electromagnética con la materia: absorción y dispersión. La acción conjunta de estos

mecanismos se denomina atenuación o extinción de la radiación solar por la atmósfera.


2

La interacción de la radiación solar con la atmósfera conduce pues a dos tipos de

componentes de la radiación solar: la componente incidente formada por la radiación

difusa y la directa, y la componente emergente de onda corta (en el mismo rango

espectral de la incidente) formada por la radiación que retrodispersa la atmósfera

(backscattering) y la radiación que reflejan las nubes o la superficie terrestre. Conviene

separar la componente emergente de onda corta de la radiación de onda larga que emite

la Tierra (que también es una componente emergente).

De forma sencilla una imagen de satélite en el canal visible es una medida de la

radiancia de onda corta emitida desde el sistema Tierra-atmósfera en un instante

determinado y sobre una ventana espacial dada; es decir, es una medida de la radiación

emergente de onda corta. Los valores de radiancia recogidos por el radiómetro a bordo

del satélite pueden variar de acuerdo con el estado de la atmósfera, desde situaciones de

cielo despejado a situaciones de cielo completamente cubierto, y con las características

en términos de reflectividad del suelo terrestre. En este sentido las imágenes de satélite

ofrecen información sobre la nubosidad en un instante y lugar determinados. Así son

capaces de reproducir la mayor parte de la variabilidad asociada a la atenuación por

nubosidad a través de establecer una relación funcional entre el índice de nubosidad

(como estimador de la nubosidad) y el índice de cielo despejado (como estimador de la

irradiancia solar en superficie).

Los satélites de observación de la Tierra pueden agruparse, de acuerdo con su órbita, en

dos tipos: polares (o heliosíncronos) y geoestacionarios (o geosíncronos). Los primeros,

con una órbita de alrededor de 800 km rodean la Tierra de norte a sur pasando por los

polos y poseen mayor resolución espacial pero limitada cobertura temporal. Los

satélites geoestacionarios, que orbitan a 36000 km, pueden ofrecer una resolución

temporal de hasta 15 minutos y una espacial de hasta 1 km. La mayor parte de las

metodologías para estimar radiación solar a partir de información satelital hacen uso de

imágenes procedentes de satélites geoestacionarios.

Este documento describe la metodología desarrollada en Ciemat para estimar las

componentes de la radiación solar incidente a partir de satélites geoestacionarios, y en

concreto para la generación de mapas de la componente global horizontal y directa

normal. Además se describe la aplicación de esta metodología para la generación de


3

mapas de radiación solar de España estimados a partir de imágenes de los satélites

Meteosat primera generación y Meteosat segunda generación durante el periodo 2001-

2011.

2 METODOLOGIA DE CALCULO

2.1 Indice de nubosidad y cálculo de la Irradiancia global horizontal

La estimación de la irradiancia horaria global horizontal y directa normal se ha realizado

mediante el modelo de desarrollado en Ciemat (Zarzalejo, 2005; Polo, 2009; Zarzalejo et al.,

2009) que combina aspectos de Heliosat-2 (Rigollier et al., 2004) y Heliosat-3 (Dagestad and

Olseth, 2007). Basicamente, la irradiancia global horizontal se calcula mediante una expression

que relaciona el indice de cielo despejado (definido como la irradiancia global horizontal

normalizada por la irradiancia global horizontal para cielos despejados) con el índice de

nubosidad, la mediana del índice de nubosidad y la masa relativa de aire (Zarzalejo et al., 2009),

. . . .hc clear

h

Gk n n m

G 501 010 0 789 0 153 0 025 (1)

donde Gh and Ghclear son la irradiancia global horizontal y la irradiancia global

horizontal de cielo despejado, respectivamente, n es el índice de nubosidad, n50 es la

mediana del índice de nubosidad (i.e. el percentil 50 del índice de nubosidad) y m es la

masa relativa de aire.

El índice de nubosidad se estima por la siguiente bien conocida expresión,

g

c g

n

(2)

Siendo ρ el albedo planetario instantáneo (es decir, la reflectancia recogida por el

radiómetro a bordo del satélite), y ρg y ρc el albedo de tierra y el albedo de las nubes,

respectivamente.


4

La estimación del albedo planetario instantáneo se realiza mayoritariamente de acuerdo

con la aproximación que toma el método Heliosat-3, teniendo en cuenta la radiación

retrodispersada por la atmósfera, ratm, (Dagestad and Olseth, 2007),

cos cosatmL r

I I

0(3)

donde L es la radiancia medida en el sensor del satélite, Iμ es la irradiancia solar

extraterrestre en la banda del sensor (en este caso del canal visible), I0 es la constante

solar (1367 Wm-2), y θ es el ángulo cenital del Sol.

La radiancia retrodispersada por la atmósfera (ratm) usada en el cómputo del albedo

planetario instantáneo se calcula mediante la siguiente expresión analítica (Dagestad

and Olseth, 2007),

( cos ) cosexp( )

cos cos cos cosatm

sat sat

r I

2

03 1 1 11

16(4)

donde θ es el ángulo cenital del Sol, θsat es el ángulo cenital del satélite, ψ es el ángulo

de scattering, y τ es el espesor óptico de la dispersión Rayleigh.

El albedo de tierra se estima en la aproximación de Heliosat-3 como percentil 4º de la

reflectividad después de ser normalizada por una función de forma que tiene en cuenta

la dependencia del albedo terrestre con el ángulo de scattering (Dagestad and Olseth,

2007). Sin embargo, en el modelo de Ciemat el albedo de tierra se computa de forma

diferente, ya que la función que gobierna la dependencia con el ángulo de scattering es

estimad de forma dinámica y local para cada píxel permitiendo con ello que existan

distintas dependencias angulares en función de las características del terreno en

términos de reflectividad (Polo et al., 2012).

De forma similar, el albedo de las nubes se puede estimar de la expresión (3) por


5

cosatm

c effr

I

0(5)

donde ρeff es el albedo planetario efectivo para las nubes que se determina mediante la

siguiente expresión que depende del ángulo de elevación (Taylor and Stowe, 1984),

. . exp sineff 50 78 0 13 1 4 (6)

2.2 Descripción de los modelos de cielo despejado

La irradiancia global horizontal y directa normal de cielo despejado se calculan usando

tres posibles modelos de transmitancia para cielo despejado: el modelo del Atlas

Europeo de Radiación Solar ESRA (Rigollier et al., 2000), el modelo Solis simplificado

(Mueller et al., 2004; Ineichen, 2008a) y el modelo REST2 (Gueymard, 2008). Los

modelos de cielo despejado que aquí se mencionan tienen distintos requerimientos de

los parámetros de entrada que gobiernan la atenuación de la radiación solar en la

atmósfera, y esta es la principal razón para incluir en la metodología tres modelos

diferentes de cielo despejado. Así, para determinar la extinción atmosférica el modelo

ESRA aglutina todos los atenuadores atmosféricos en un único parámetro y por tanto

solo requiere del factor de turbiedad de Linke como parámetro de entrada. El modelo de

Solis simplificado estima la transmitancia en condiciones de cielo despejado usando

como entrada el espesor óptico de aerosoles integrado y el contenido en columna de

vapor de agua. Finalmente, el modelo REST2 emplea la formula de Angstrom para la

atenuación debida a aerosoles atmosféricos en dos bandas espectrales y trata de forma

separada la atenuación por vapor de agua, ozono NO2.

2.2.1 Modelo de cielo despejado ESRA

Dentro del marco del proyecto del Atlas Europeo de Radiación Solar (ESRA) para el

periodo 1981-1990 se realizó una revisión de los métodos de cálculo de la irradiancia

solar para cielo despejado (Page et al., 2001). La irradiancia global horizontal para cielo

despejado se estima mediante la suma de las componentes difusa y directa normal

(Rigollier et al., 2000),


6

cos

exp .

clear clear clearh h

clearL

G B D

B I T m

0 0 8662(7)

donde TL es el factor de turbiedad de Linke normalizado a masa de aire, m es la masa

relativa de aire y τ es el espesor óptico integral de scattering Rayleigh.

( . . .

. . )

( . . )

p p

p p p

p p

m m

m m para m

m para m

2

3 4 1

1

6 6296 1 7513 0 12020 0065 0 00013 20

10 4 0 718 20

(8)

La irradiancia difusa sobre superficie horizontal también depende del factor de

turbiedad de Linke a una elevación dada sobre el nivel del mar. La estimación de la

componente difusa se realiza mediante,

clearh rd dD I T F 0 (9)

donde Trd es la función de transmisión de la difusa en el cenit Fd es la función angular

difusa. La primera se estima mediante una parametrización del factor de turbiedad de

Linke, y la otra se computa mediante otra parametrización que depende tanto del factor

de turbiedad de Linke como del ángulo cenital del Sol.

2.2.2 Modelo Solis simplificado

El modelo Solis (Mueller et al., 2004) fue desarrollado en el contexto del proyecto

europeo Heliosat-3 y se empleó como función de normalización en el proceso de

evaluación de la irradiancia solar con Meteosat. Es un modelo basado en cálculos

realizados con un modelo físico de transferencia radiative, ya que el uso de modelos de

este tipo a gran escala geográfica consume demasiados recursos de computación. Por

este motivo se propuso una versión integrada y simplificada del modelo Solis que ha


7

sido evaluada con sesgo despreciable y bajo error en términos de error cuadrático medio

(Ineichen, 2008a).

Las tres componentes de la irradiancia solar (global horizontal, difusa y directa normal)

se estiman mediante las siguientes expresiones.

'

'

'

expsin

exp sinsin

expsin

bclearb

gclearh g

dclearh d

B I

G I

D I

0

0

0

(10)

Donde α es el ángulo de elevación solar, τb, τg y τd son los espesores ópticos totales para

la directa normal, la global horizontal y la radiación difusa, respectivamente. Los

espesores ópticos totales y los parámetros de ajuste b, g y d son parametrizados como

función del contenido en columna del vapor de agua en atm-cm y del espesor óptico de

aerosoles integrado.

2.2.3 Modelo REST2

REST2 es un modelo de altas prestaciones para estimar la irradiancia integradda en

condiciones de cielo despejado, así como la iluminación y la parte de la radiación que

activa la (PAR) a partir de datos atmosféricos. Es una evolución de un modelo anterior

y de carácter espectral, el modelo CPCR2, con numerosas mejoras (Gueymard, 2008).

Las componentes directa normal y difusa de la irradiancia solar se estiman como

función de las transmitancias individuales de los distintos procesos de atenuación que

tienen lugar en la atmósfera.

. .cos ( ( ) ( ))

clearR g o n w a

clearh g o n w R R a a R as

B I T T T T T T

D I T T T T B T T B F T T

0

0 25 0 250 1 1

(11)


8

donde Ti es la transmitancia integrada para los distintos procesos individuales de

atenuación que tienen lugar: scattering Rayleigh, absorción de gases uniformemente

mezclados, absorción de ozono, absorción de dióxido de nitrógeno y absorción de vapor

de agua. Todas las transmitancias individuales, la función de corrección F y la fracción

de dispersión frontal de la extinción Rayleigh BR y de dispersión por aerosoles Ba son

estimadas mediante diferentes parametrizaciones de la masa relativa de aire y de los

correspondientes parámetros asociados a cada mecanismo de atenuación.

Los parámetros de entrada a REST2 en el contexto de esta metodología consisten en los

valores diarios de los parámetros Angstrom (turbiedad y parámetro exponente) y el

vapor de agua en columna, usando por defecto los valores de 0.35 atm-cm y 0.0002

atm-cm para el contenido de ozono y de NO2, respectivamente.

2.3 Cálculo de la Irradiancia directa normal

La irradiancia directa normal se computa a partir de la irradiancia global horizontal

mediante el modelo de conversión de Louche (Louche et al., 1991).

2 3 4 50.002 0.059 0.994 5.205 15.307 10.627b t t t t t

SC b

k k k k k k

B I k

(12)

Donde kb es la transmitancia de la directa, es decir la razón de la irradiancia directa

normal al nivel del suelo respecto de la irradiancia directa normal en el borde superior

de la atmósfera, y kt es el índice de transparencia atmosférica, definido como la razón

entre la irradiancia global horizontal y la irradiancia extraterrestre sobre superficie

horizontal.

La correlación de Louche se emplea únicamente para el cálculo de la irradiancia directa

normal en cielos variables y cubiertos, es decir en condiciones de nubosidad. En

situaciones de cielo completamente despejado tanto la irradiancia global horizontal

como la directa normal resultante del modelo de cielo despejado que se haya

seleccionado es la que se da por válida. Para seleccionar días despejados se emplea un


9

algoritmo automático basado en el grado de correlación que existe entre la irradiancia

global horizontal a lo largo del día, estimada mediante la expresión (1), y la irradiancia

global horizontal de cielo despejado computada con uno de los tres modelos antes

descritos. Para cada día, se calcula la matriz de coeficientes de correlación entre las

series horarias de irradiancia global horizontal estimada por satélite y la de cielo

(Petrucelli et al., 1999),

1

1

cov( , )

clear clearh h h h h h

clear clear clear clearh h h h h h

clearh h

clearh h

G G G G G G

G G G G G G

clearh h

G GG G

C

G G

(13)

donde cov es la covarianza, representa la desviación estándar, Gh y Ghclear son la

serie temporal horaria de irradiancia global horizontal de satélite y la misma para cielo

despejado, respectivamente. El determinante de la matriz de coeficientes de correlación

se emplea como medida del grado de correlación existente entre las dos series

temporales. Así, cuanto más cercano a cero es el determinante de esta matriz mayor

grado de correlación existe entre la irradiancia global de satélite y la de cielo despejado,

y por tanto mayor certeza se tiene en asegurar ese día como un día completamente

despejado. Por tanto, el criterio para la selección de días despejados es que el

determinante de la matriz C sea inferior a un valor umbral que se estima a partir del

percentil 80 de la población de valores para varios días seleccionados con elevado

índice de transparencia atmosférica diario.

2.4 Metodología para el cálculo de mapas

La elaboración de los mapas de la componente global horizontal y directa normal de la

radiación solar se realiza de forma matricial y secuencial. El cálculo matricial consiste

en la estimación de las series horarias, con el modelo anteriormente descrito, para una

región de cálculo que se selecciona en función de la resolución espacial a la que se va a

calcular y de las capacidades de la máquina en términos de computación. En cada

región de cálculo se almacenan las sumas diarias de irradiación global horizontal y

directa normal. Así, el resultado de aplicar la metodología a la región de cálculo se


10

traduce en cuatro matrices: la matriz de latitudes y la de longitudes del tamaño de la

región, y las matrices de irradiación diaria global y directa. El cálculo secuencial

consiste en un bucle de regiones de cálculo hasta completar la zona geográfica elegida.

La figura 1 muestra la zona geográfica sobre la que se ha elaborado el mapeo de la

radiación solar de la España peninsular, consistente en 15 bloques secuenciales de

regiones de cálculo. Cada región de cálculo comprende una zona geográfica de 3º x 3º,

que a una resolución geográfica de 0.1º supone una región de cálculo de 30x30, es decir

de 900 pixels.

Figura 1. Zona geográfica seleccionada para el mapeo de la radiación solar en la Españapeninsular y Baleares

En el caso de la zona geográfica de las islas Canarias se ha trabajado con 3 regiones de

cálculo de 1º x 6º que a una resolución de 0.1º supone área de 10x60, es decir 600 pixels

(figura 2).


11

Figura 2. Zona geográfica seleccionada para el mapeo de la radiación solar en las islasCanarias

3 MAPAS DE RADIACION SOLAR DE ESPAÑA

La metodología descrita en el apartado anterior se ha empleado para el cómputo de la

irradiancia solar global horizontal y directa normal en base horaria para el periodo desde

el 01/01/2001 hasta el 31/12/2011. Por cada día se han empleado 12 imágenes de

satélite, tanto en MPG como en MSG. En el caso de MPG las 12 imágenes abarcan

desde las 6:00 hasta las 17:00, y en el caso de MSG las imágenes corresponden a las

horas desde las 6:15 hasta las 17:15. El cálculo de cada componente de la irradiancia

solar se realiza en el instante más próximo al momento en el que el sensor a bordo del

satélite recibe la información de cada punto. La referencia temporal empleada es tiempo

solar verdadero, y por cada día se estima, a partir de las series horarias, la suma diaria

de la irradiación global horizontal y directa normal, y finalmente se almacena.

Además de las 12 imágenes por día empleadas como entrada al modelo de satélite se ha

usado información atmosférica diaria de MODIS (Moderate Resolution

Spectroradiometer), de los satélites polares Terra y Aqua, cuya resolución espacial es de


12

1º x 1º. Los parámetros empleados de la información de MODIS son: el espesor óptico

de aerosoles a 550 nm, el parámetro exponente y el contenido en columna del vapor de

agua. Los valores diarios de estos tres parámetros se emplean para el computo cada día

de la serie temporal de irradiancia horaria de cielo despejado (global horizontal y directa

normal) en función del modelo de cielo despejado elegido. En este trabajo se ha

empleado como modelo de cielo despejado ESRA, que requiere de un único parámetro

(el factor de turbiedad de Linke) para estimar la atenuación de la radiación solar por la

atmósfera terrestre (Rigollier et al., 2000). El factor de turbiedad de Linke se estima

para cada día de la base de datos climatológica diaria obtenida a partir de datos del

instrumento MODIS mediante el modelo de Ineichen que permite de forma sencilla el

cómputo del factor de turbiedad de Linke a partir del espesor óptico de aerosoles a 550

nm y del vapor de agua en columna (incluyendo la corrección por presión que depende

de la elevación sobre el nivel del mar) (Ineichen, 2008b). Existen, no obstante,

situaciones en las que el algoritmo de MODIS para la generación del espesor óptico de

aerosoles y otros parámetros no conduce a una buena solución, en cuyo cayo el

producto derivado de MODIS para ese parámetro no arroja valor alguno. En

consecuencia, cabe la posibilidad de que existan huecos en la base climatológica diaria

generada a partir de MODIS. En esos casos, se emplea la base de datos de Meteotest

(Remund et al., 2002), de cobertura mundial, para el factor de turbiedad de Linke medio

mensual y con este dato se utiliza el modelo ESRA para el cómputo de las componentes

de la irradiancia solar en condiciones de cielo despejado.

A partir de los valores diarios de irradiación solar estimados por la metodología basada

en imágenes de satélite se han generado las medias mensuales de irradiación global

horizontal y directa normal, así como el promedio anual, a lo largo de los 11 años (del

2001 al 2011). Estos 26 promedios (12 medias mensuales de irradiación global

horizontal, 12 medias mensuales de irradiación directa normal, 1 promedio anual de

global y 1 promedio anual de directa) se disponen en formato raster (matrices) para toda

la geografía española a una resolución espacial de 0.1º.

La información raster de irradiación solar se ha introducido en un sistema de

información geográfica para la generación de los correspondientes mapas de radiación

solar. El sistema de información geográfica empleado en este trabajo es Quantum GIS

(http://www.qgis.org/), un proyecto de software libre bajo licencia GNU (Q-GIS Team,


13

2011). De forma adicional se ha empleado la base de datos de Natural Earth

(http://www.naturalearthdata.com/) que proporciona a cartógrafos una solución lista

para ser usada para la creación de mapas mundiales, regionales y de país a escalas

1:10.000.000, 1:50.000.000 y 1:110.000.000. Se incluyen capas de información tanto

políticas (fronteras administrativas) como físicas (naturales) y las capas vectoriales se

alinean perfectamente con los datos raster incluidos.

Empleando el raster de irradiación solar generado con la metodología de satélite y las

capas básicas de Natural Earth a escala 1:10.000.000 se han generado los distintos

mapas de irradiación solar. En el Apéndice I se presentan los 12 mapas de irradiación

global horizontal media mensual y, de manera similar en el Apéndice II se muestran los

de irradiación directa normal media mensual. Los mapas del promedio anual de

irradiación global horizontal y directa normal se presentan en las figuras 3 y 4,

respectivamente.


14

Figura 3. Promedio anual de irradiación global horizontal para el periodo 2001-2011(kWh m-2 año-1)

Figura 4. Promedio anual de irradiación directa normal para el periodo 2001-2011(kWh m-2 año-1)


15

4 EVALUACION DE LA INCERTIDUMBRE

Para estimar la incertidumbre de los mapas de radiación solar se han empleado datos de

la red radiométrica nacional operada y mantenida por AEMet. Se han estimado las

medias mensuales de irradiación global horizontal y directa normal de diversas

estaciones de la red radiométrica. En el caso de irradiación global horizontal se han

usado datos de 27 estaciones durante el periodo de 2001-2007 (Tabla 1) y en el caso de

irradiación directa normal se han usado datos de 6 estaciones durante el periodo de

2001-2004 (Tabla 2). Todos los datos de tierra de irradiación global horizontal medida

han sido obtenidos del World Radiation Data Centre (WRDC) (http://wrdc.mgo.rssi.ru/),

centro auspiciado por la organización meteorológica mundial que publica medidas de

radiación solar en todo el mundo suministradas por los distintos organismos nacionales,

principalmente los servicios nacionales de meteorología e hidrología.

Para evaluar la incertidumbre se han empleado los siguientes parámetros estadísticos de

primer orden clásicos MBE (Mean Bias Error), rMBE (relative Mean Bias Error),

RMSE (Root Mean Squared Error) y rRMSE (relative Root Mean Squared Error)

definidos por las siguientes expresiones,

exp mod

exp

exp mod

exp

n

i

n

i

MBE Y YN

MBErMBE

Y

RMSE Y YN

RMSErRMSE

Y

1

2

1

1

1

(14)

donde Yexp se refiere a los datos medidos, Ymod a los datos estimados por un modelo y N

es el número total de datos.


16

Tabla 1. Estaciones de medida para la evaluación de irradiación global horizontal

Nombre Longitud (ºE) Latitud (ºN) Elevación (m)1 Santander -3.81 43.46 642 La Coruña -8.41 43.36 583 Bilbao -2.93 43.30 404 Villanova -8.75 42.60 155 León -5.65 42.58 9146 Logroño -2.33 42.45 3537 Zaragoza -1.06 41.66 2988 Valladolid -4.76 41.65 7349 Lleida 0.60 41.61 20110 Soria -2.50 41.60 109011 Reus 1.16 41.15 7312 Salamanca -5.91 40.95 80313 Madrid -3.71 40.45 66414 Toledo -4.05 39.88 51515 Palma 2.61 39.55 616 Cáceres -6.33 39.46 40517 Albacete -1.86 39.00 67418 Ciudad Real -3.91 38.98 62819 Badajoz -7.01 38.88 18520 Ibiza 1.36 38.86 1021 Alicante -0.55 38.28 3122 Murcia -1.16 38.00 6123 Huelva -6.91 37.28 1924 Granada -3.63 37.13 68725 Almería -2.38 36.85 2026 Jerez -6.06 36.73 3527 Malaga -4.48 36.71 61

Tabla 2. Estaciones de medida para la evaluación de irradiación directa normal

Nombre Longitud (ºE) Latitud (ºN) Elevación (m)La Coruña -8.41 43.36 58Santander -3.81 43.46 64Valladolid -4.76 41.65 734Madrid -3.71 40.45 664Cáceres -6.33 39.46 405Murcia -1.16 38.00 61


17

Los resultados de estos estadísticos para irradiación global y directa media mensual en

las distintas estaciones de medida se presentan en las tablas 3 y 4.

Tabla 3. Evaluación de las medias mensuales de irradiación global horizontal

Nombre MBE(kWh m-2 dia-1)

MBE(%)

RMSE(kWh m-2 dia-1)

RMSE(%)

1 Santander -0.19 -5.4 0.44 12.42 La Coruña -0.12 -3.0 0.38 9.53 Bilbao -0.18 -5.2 0.46 13.44 Villanova 0.06 1.4 0.36 8.75 León -0.26 -5.9 0.50 11.26 Logroño -0.21 -5.3 0.49 12.67 Zaragoza 0.17 3.6 0.52 11.48 Valladolid -0.07 -1.5 0.41 9.19 Lleida 0.21 4.7 0.62 13.910 Soria -0.19 -4.5 0.60 14.411 Reus 0.05 1.1 0.62 13.612 Salamanca -0.20 -4.4 0.60 13.313 Madrid -0.02 -0.3 0.48 10.314 Toledo -0.04 -0.9 0.54 11.615 Palma 0.06 1.2 0.47 10.516 Cáceres -0.08 -1.6 0.49 10.017 Albacete -0.03 -0.5 0.56 12.018 Ciudad Real -0.15 -3.4 0.61 13.419 Badajoz 0.02 0.5 0.44 9.020 Ibiza -0.01 -0.2 0.49 11.121 Alicante 0.19 4.1 0.61 13.022 Murcia 0.20 4.2 0.54 11.123 Huelva 0.01 0.2 0.17 3.324 Granada 0.06 1.1 0.49 9.625 Almería 0.13 2.6 0.50 10.126 Jerez 0.03 0.5 0.43 8.827 Málaga 0.26 5.4 0.53 10.9

Tabla 4. Evaluación de las medias mensuales de irradiación directa normal

Nombre MBE(kWh m-2 dia-1)

MBE(%)

RMSE(kWh m-2 dia-1)

RMSE(%)

1 La Coruña -0.90 -28 1.6 522 Santander 0.20 5 0.9 253 Valladolid -0.01 -0.3 1.2 264 Madrid 0.45 8 1.2 215 Cáceres -0.29 -4.9 1.4 246 Murcia 0.50 9 1.5 29


18

La incertidumbre promedio en la estimación de la irradiación media mensual es del

orden del 11% de RMSE para irradiación global horizontal y del orden del 29% para el

caso de irradiación directa normal. Cabe destacar el bajo sesgo en la estimación de

irradiación global horizontal que revelan los bajos valores del MBE. Esta observación

se pone de manifiesto en la figura 3 donde se muestra el gráfico de dispersión para las

medias mensuales de irradiación global horizontal.

Figura 5. Gráfico de dispersión de las medias mensuales de irradiación global horizontal

En el caso de las medias mensuales de irradiación directa normal la evaluación está muy

limitada por la escasa cantidad de datos experimentales, aunque es de esperar siempre

una mayor incertidumbre en la estimación de la irradiación directa que en el caso de

global horizontal.


19

5 CONCLUSIONES

En este documento se han presentado los principales detalles de la metodología

desarrollada en CIEMAT para la generación de mapas de irradiación solar a partir de

imágenes de satélites geoestacionarios. La metodología presentada tiene como base de

partida el planteamiento de la familia de métodos heliosat, a partir de la cual se ha

desarrollado un modelo sencillo, que incorpora diversos aspectos novedosos respecto a

la referencia original, para la estimación de series horarias de irradiancia solar global

horizontal como directa normal, y por tanto también difusa horizontal, a partir de

imágenes de un satélite geoestacionario. El segundo bloque de esta metodología ha

consistido en la adaptación de este modelo sencillo en un esquema de cálculo que

permita el cómputo de irradiación solar diaria en grandes áreas geográficas y su

transformación a formato raster. Finalmente, la información raster de irradiación solar

se puede procesar en un sistema de información geográfica para la generación de mapas

de irradiación solar de calidad.

Como ejemplo en el uso de esta metodología se han generado los mapas de irradiación

media mensual y del promedio anual de las componentes global horizontal y directa

normal de la irradiación solar en la geografía española. Los datos de satélite empleados

para la elaboración de los mapas de España son Meteosat Primera Generación para el

periodo 2001-2005, y Meteosat Segunda Generación para el periodo 2006-2011. Se han

procesado por tanto 12 imágenes por día durante un periodo de 11 años generando

series temporales de irradiación solar diaria para todo ese periodo. Estas series

temporales han permitido el cómputo de promedios de irradiación en formato raster. La

integración de los datos raster de irradiación anteriormente mencionados en un sistema

de información geográfica abierto, Quatum GIS (http://www.qgis.org/), ha permito la

elaboración de mapas de calidad con la incorporación adicional de capas temáticas base

de información geográfica (mapas adicionales) obtenidas de la base de datos de Natural

Earth.

Los mapas de irradiación de España generados con esta metodología se han validado de

forma parcial y preliminar empleando 27 estaciones de medida de irradiación global

horizontal 6 estaciones de medida de irradiación directa normal. Los errores en


20

promedio para las medias mensuales de irradiación solar son del 11% y del 29% en

error cuadrático medio para global horizontal y directa normal, respectivamente. El uso

de una base de datos de medidas de irradiación solar mayor y más extensa podría

permitir la corrección de ciertos errores, en particular la eliminación del sesgo si lo

hubiera, cuya extrapolación geográfica conduciría a mapas de mayor precisión.

Además, en trabajos futuros se espera emplear esta metodología probablemente junto

con técnicas de estimación por conjuntos para la generación de mapas de mayor calidad

en términos de extrapolación a largo plazo basados en el uso de diversas fuentes de

información (estimaciones de satélite, estimaciones provenientes de modelos

meteorológicos numéricos y medidas en estaciones de tierra).


21

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25

APENDICE I: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLARGLOBAL HORIZONTAL


26

Figura I. 1. Mapa de irradiación global media mensual de Enero (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 2. Mapa de irradiación global media mensual de Febrero (kWh m-2 dia-1)


27

Figura I. 3. Mapa de irradiación global media mensual de Marzo (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 4. Mapa de irradiación global media mensual de Abril (kWh m-2 dia-1)


28

Figura I. 5. Mapa de irradiación global media mensual de Mayo (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 6. Mapa de irradiación global media mensual de Junio (kWh m-2 dia-1)


29

Figura I. 7. Mapa de irradiación global media mensual de Julio (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 8. Mapa de irradiación global media mensual de Agosto (kWh m-2 dia-1)


30

Figura I. 9. Mapa de irradiación global media mensual de Septiembre (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 10. Mapa de irradiación global media mensual de Octubre (kWh m-2 dia-1)


31

Figura I. 11. Mapa de irradiación global media mensual de Noviembre (kWh m-2 dia-1)

Figura I. 12. Mapa de irradiación global media mensual de Diciembre (kWh m-2 dia-1)


33

APENDICE II: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLARDIRECTA NORMAL


34

Figura II. 1. . Mapa de irradiación directa media mensual de Enero (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 2 . Mapa de irradiación directa media mensual de Febrero (kWh m-2 dia-1)


35

Figura II. 3. Mapa de irradiación directa media mensual de Marzo (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 4. Mapa de irradiación directa media mensual de Abril (kWh m-2 dia-1)


36

Figura II. 5. Mapa de irradiación directa media mensual de Mayo (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 6. Mapa de irradiación directa media mensual de Junio (kWh m-2 dia-1)


37

Figura II. 7. Mapa de irradiación directa media mensual de Julio (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 8. Mapa de irradiación directa media mensual de Agosto (kWh m-2 dia-1)


38

Figura II. 9. Mapa de irradiación directa media mensual de Septiembre (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 10. Mapa de irradiación directa media mensual de Octubre (kWh m-2 dia-1)


39

Figura II. 11. Mapa de irradiación directa media mensual de Noviembre (kWh m-2 dia-1)

Figura II. 12. Mapa de irradiación directa media mensual de Diciembre (kWh m-2 dia-1)

1135- 9420

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