Modelado de la irradiancia solar sobre la superficie terrestre: modelos físicos e híbridos utilizando información satelital sobre la Pampa Húmeda

Conocer la irradiación solar que alcanza la superficie terrestre es necesario para el desarrollo, dimensionamiento y simulación de emprendimientos de aprovechamiento de la energía solar. Si bien en la actualidad el sector energético es el principal usuario de esta información, este conocimiento es también relevante para aplicaciones agropecuarias de producción vegetal e investigación médica. La forma moderna de estimar la irradiación solar sobre sitios específicos o grandes extensiones territoriales es a través de imágenes de satélite, que proveen información sobre la nubosidad. La cadencia de la información generada por satélites meteorológicos geoestacionarios es suficiente para modelar el recurso a escala horaria en la región e incluso, con la puesta en operación del GOES-R en 2018, a escala sub-horaria. En Uruguay, se utiliza desde 2014 un modelo fenomenológico para irradiación solar global horizontal localmente adaptado (JPTv2), con un desempeño muy bueno para la región (RMSD de 13 % de la media, a nivel horario) (Alonso-Suárez, 2017). Este modelo ha permitido, por ejemplo, caracterizar la distribución de largo plazo del recurso solar en el territorio (Alonso-Suárez et al., 2014, 2019) y vincular sus variaciones estacionales con otros efectos climáticos bien estudiados (Laguarda et al., 2020a). En esta tesis se implementan y evalúan modelos de irradiación solar por satélite de naturaleza física e híbrida (Cloud index models o CIM) buscando lograr un desempeño local igual o mejor que el de JPTv2 para GHI (irradiación global) y agregar nuevas capacidades, como la estimación por satélite de DNI (irradiación directa), para la región de la Pampa Húmeda (que incluye todo el territorio del Uruguay). La tesis consta de dos partes: i) Se considera la interacción de la radiación solar con la atmósfera sin nubes, para estimar la irradiación en condiciones de cielo claro. ii) Se incluye información satelital sobre nubosidad para construir, a partir de los modelos de cielo claro, modelos para estimar irradiación solar en condiciones arbitrarias de nubosidad. El desempeño de los modelos de cielo claro está limitado por la disponibilidad y la calidad de los datos sobre la composición de la atmósfera que utilizan como entrada. Ante la falta de medidas locales en la región de interés, se recurre a información sobre la composición de la atmósfera estimada por satélite y por técnicas de reanálisis. Se analiza la información sobre aerosoles, vapor de agua y ozono en la región que proveen estas bases, y se resuelve utilizar la base de reanálisis MERRA-2 (Gelaro et al., 2017) por su buen desempeño y gran cobertura espacio-temporal (Laguarda y Abal, 2020). Además, se caracteriza localmente la turbidez de Linke (Laguarda y Abal, 2016), un parámetro de entrada para modelos de cielo claro con buen balance entre simplicidad y precisión (Laguarda y Abal, 2017). Se implementan y evalúan a nivel horario cinco modelos de cielo claro para GHI y DNI utilizando diferentes fuentes para la información de entrada. Para GHI, un modelo simple como ESRA (Rigollier et al., 2000), que utiliza solo turbidez Linke como entrada, alcanza una precisión comparable con la incertidumbre en las medidas: sesgos menores a 0.5 % y RMSD de 3 % de la media de las medidas. Para DNI el modelo REST2 (Gueymard, 2008) alimentado con información MERRA-2 alcanza un sesgo menor a 0.5 % y RMSD de 6 %. El desempeño de estos modelos los hace una base adecuada para modelos de irradiación solar en presencia de nubosidad. En la segunda parte se presenta un modelo satelital semi-empírico tipo CIM para la estimación horaria de GHI y DNI a nivel de superficie. La propuesta combina los modelos más precisos de irradiación de cielo claro en la región, con un índice de nubosidad obtenido a partir de las imágenes del canal visible del satélite GOES-13 (Laguarda et al., 2020b, 2018). El modelo propuesto es de naturaleza híbrida, en tanto combina un modelo físico con una parametrización empírica, y cuenta con solo dos parámetros ajustables localmente a medidas en tierra. Los parámetros ajustados muestran una gran homogeneidad espacial, lo que permite usar los modelos en todo el territorio sin gran pérdida de precisión. Para el caso de GHI a nivel horario se obtuvo un desvío promedio relativo menor a +1 % y un desvío cuadrático medio relativo (rRMSD) del orden de 12 % de la media de las medidas. Este modelo supera en desempeño en la región de interés a modelos comerciales (Laguarda et al., 2020b), a modelos físicos sofisticados como Heliosat-4 (Qu et al., 2017) e iguala al actualmente mejor modelo JPTv2 (puramente empírico y basado en 4 parámetros ajustables a datos de tierra). La sencillez, aplicabilidad y desempeño del modelo CIM híbrido lo hacen una excelente opción para estimar GHI en el territorio. Para la componente de DNI se obtienen sesgos medios menores a 0.2 % y rRMSD del orden de 20 % de la media de las medidas. Estos resultados colocan a la estrategia semi-empírica como la más conveniente para estimar DNI, en contraposición a las cadenas de modelos fenomenológicos utilizados actualmente (Alonso-Suárez et al., 2019), basadas en la estimación de GHI y la posterior estimación de DNI utilizando parametrizaciones localmente ajustadas de separación directa-difusa (Abal et al., 2017).Knowledge of the ground level solar irradiation is necessary for solar energy projects’ development, sizing and simulation. Although the energy sector is currently the main user of this information, it is also relevant for agricultural applications and medical research. The modern way to estimate solar irradiation on specific sites (or large territorial extensions) is by using satellite images, which provide the information about clouds. The rate of meteorological geoestationary satellites’ information is adequate to model the solar resource at hourly scale in the region and, with the new satellite GOES-R (since 2018), at a sub-hourly scale. In Uruguay, a locally adapted phenomenological model for global horizontal solar irradiation (JPTv2) has been used since 2014, as it provides a very good performance for the region (RMSD of 13 % of the mean, at hourly level) (Alonso-Su´arez, 2017). This model has allowed to characterize the long-term solar resource distribution in the territory (Alonso-Suárez et al., 2014, 2019) and to relate its seasonal variations with other well-studied large-scale climatic phenomena (Laguarda et al., 2020a). In this thesis, physical and hybrid satellite solar irradiation based models (Cloud index models or CIM) are implemented and evaluated, aiming to achieve a local performance which at least matches that of JPTv2 and provide additional functionality, like the satellite-based estimation of the direct component (DNI). The region of interest is the Pampa Húmeda, which includes the entire territory of Uruguay. The thesis consists of two parts: i) The interaction of solar radiation with the cloudless atmosphere is considered, in order to estimate the irradiation in clear sky conditions. ii) Satellite information on cloud cover then is included to develop, based on the clear sky models and a satellite cloud index, models to estimate solar irradiation under arbitrary clou conditions. The performance of clear sky models is limited by the availability and quality of the atmospheric data used as input. In the absence of long-term local measurements in the region of interest, publicly available information on the composition of the atmosphere estimated by satellite and reanalysis techniques is evaluated. The information on aerosols, water vapor and ozone in the region from two databases is analyzed. The MERRA-2 reanalysis database (Gelaro et al., 2017) is recommended for the region, due to its good performance and space-time coverage (Laguarda y Abal, 2020). In addition, the Linke turbidity factor (Laguarda y Abal, 2016) is locally characterized. This is an input parameter for clear sky models, whith provides an alternative description of the average atmosphere with good balance between simplicity and precision (Laguarda y xvii Abal, 2017). Five clear sky models for GHI and DNI are implemented and evaluated at the hourly level using different sources for the input information. For GHI, a simple model such as ESRA (Rigollier et al., 2000), which only uses Linke turbidity as input, achieves a precision comparable with the measurements uncertainty: biases less than 0.5 % and RMSD of 3 % of the measurements average. For DNI, the REST2 (Gueymard, 2008) model fed with MERRA2 information reaches a bias of less than 0.5 % and RMSD of 6 %. These performances makes these models a suitable basis for solar irradiation modelling in the target region. In the second part, a semi-empirical CIM-type satellite model is presented for the hourly estimation of GHI and DNI at surface level. The proposal combines the most accurate clear sky irradiation models in the region, with a cloudiness index obtained from GOES-13 visible channel satellite images (Laguarda et al., 2020b, 2018). The proposed hybrid model combines a physical model with an empirical parameterization, and has only two locally adjustable parameters (by using ground measurements). The obtained parameters are spatially homogeneous, which allows the models to be used in all the territory without a significant reduction of its of accuracy. In the case of GHI at the hourly level, a relative average deviation of less than +1 % and a relative mean square deviation (rRMSD) of 12 % of the measurements average. This model outperforms commercial models (Laguarda et al., 2020b) and sophisticated physical models such as Heliosat-4 (Qu et al., 2017) in the region of interest, and equals the currently best model JPTv2 (purely empirical and based on 4 adjustable parameters). The simplicity, applicability and performance of the hybrid CIM model make it an excellent option to estimate GHI in the territory. For the DNI component, mean biases less than 0.2 % and rRMSD of the order of 20 % (of measurements average) are obtained. These results make the semi-empirical strategy as the most convenient to estimate DNI in the region, in comparison to the chains of phenomenological models that are currently used (Alonso-Suárez et al., 2019), based on the estimation of GHI and the subsequent estimation of DNI by using locally adjusted parameterizations for directdiffuse separation (Abal et al., 2017)

Impacto de la incertidumbre de las variables atmosféricas de la base merra-2 en el modelado de la irradiancia solar en cielo despejado

Un modelo realista de irradiancia solar en cielo claro incluye el efecto de varios componentes atmosféricos con concentración variable en la atmósfera (como los aerosoles o el vapor de agua). Esta información no se encuentra disponible, salvo en sitios puntuales (por ejemplo, la red Aeronet), por lo que se recurre a estimativos por satélite. La precisión de la información de entrada puede afectar significativamente el desempeño de un modelo. Aquí se presenta una validación para la región centro-este de Sudamérica (Pampa Húmeda) de estimativos de profundidad óptica de aerosoles, exponente de Angström y concentración de vapor de agua de la base de reanálisis MERRA-2 contra datos de tierra de la red Aeronet. Se asigna una incertidumbre típica a la información MERRA-2 necesaria para el modelado de la irradiancia solar en cielo claro y, en segunda instancia, se estudia el impacto de esta incertidumbre en los estimativos de irradiancia solar en cielo claro en la región utilizando dos modelos de referencia (REST-2 y ESRA)

Índice de Turbidez de Linke a partir de irradiación solar global en Uruguay

En este trabajo se utiliza el modelo de cielo claro ESRA para estimar el promedio mensual de TL para una masa de aire igual a 2, en 10 estaciones la zona geográfica que comprende el territorio del Uruguay y áreas cercanas, a partir de datos de tierra de irradiación solar global horaria sobre plano horizontal para condiciones de cielo claro. Una vez seleccionadas las horas claras, se utiliza un método sencillo basado en la minimización de un indicador estadístico KSI para determinar el mejor valor de TL. Los valores medios obtenidos para cada mes, se comparan con los estimativos Meteonorm para las ubicaciones correspondientes. El modelo ESRA con TL localmente ajustado estima irradiancia horaria en cielo claro con RMSD menores al 5 % de la media.The ESRA clear-sky model is used to estimate monthly averages for Linke’s Turbidity, TL, using GHI ground data from 10 sites distributed over a geographical area which includes the territory of Uruguay and neighbouring areas. Once the clear-sky hours are selected, a simple minimization method based on the minimization of the KSI (Kolmogorov-Smirnov index) is used to obtain the optimum value of TL for each month using cross-validation techniques to estimate the uncertainty in the estimates. The method is validated at two sites by comparing its estimates with those derived directly form DNI measurements. The ESRA model with locally adjusted TL values provides clear-sky hourly irradiance with typicial RMSD under 5 % of the mean. The monthly means for TL are compared to those provided globally by Meteonorm at four sites. A sistematic underestimation at all sites is observed, and at some sites close to coastal areas, large biases are found.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Impacto de la incertidumbre de las variables atmosféricas de la base merra-2 en el modelado de la irradiancia solar en cielo despejado

Un modelo realista de irradiancia solar en cielo claro incluye el efecto de varios componentes  atmosféricos  con concentración variable en la atmósfera (como los  aerosoles  o el vapor de agua). Esta información no se encuentra disponible, salvo en sitios puntuales (por ejemplo, la red Aeronet), por lo que se recurre a estimativos por satélite. La precisión de la información de entrada puede afectar significativamente el desempeño de un modelo. Aquí se presenta una validación para la región centro-este de Sudamérica (Pampa Húmeda) de estimativos de profundidad óptica de aerosoles, exponente de Angstróm y  concentración de vapor de agua de la base de reanálisis MERRA-2 contra datos de tierra de la red Aeronet. Se asigna una incertidumbre típica a la información MERRA-2 necesaria para el modelado de la irradiancia solar en cielo claro y, en segunda instancia, se estudia el impacto de esta incertidumbre en los estimativos de irradiancia solar en cielo claro en la región utilizando dos modelos de referencia (REST-2 y ESRA).A realistic clear-sky model must take into account the effect of several variable components of the atmosphere (like aerosols or precipitable water vapor). This information is not available, except for a few sites (for instance, those of the Aeronet network), so satellite-based estimates are frequently used. The precision of the input information can affect significantly the performance of a model. Here, a validation of the MERRA-2 re-analysis database estimates for aerosol optical depth, Angström exponent and water vapor concentration against ground data from Aeronet sites and a typical uncertainty is assigned on the MERRA-2 estimates. Furthermore, the impact of these uncertainties on the performance of two reference clear-sky solar irradiance models is evaluated.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Filtrado espacial de la variabilidad del recurso solar: aplicación a la generación fotovoltaica en Uruguay

En el corto plazo Uruguay habrá incorporado a su red eléctrica 230 MW de potencia solar foto voltaica (PV). Las fluctuaciones del recurso solar dificultan el despacho de la energía y son el principal obstáculo para aumentar la contribución relativa de la energía solar a la matriz eléctrica. En este trabajo se presenta el primer estudio en Uruguay que busca cuantifícar la reducción de estas fluctuaciones debido a la distribución espacial de las plantas PV. Se analizó esta reducción considerando los sitios de a pares y en conjunto. El estudio se realiza para la ubicación de las plantas PV y para los sitios donde hay medidas horarias y minútales disponibles. Para los sitios PV se generaron estimativos horarios por satélite utilizando un modelo específicamente ajustado a Uruguay y la región. La variabilidad del recurso se reduce al aumentar la distancia entre dos sitios y al combinar varios sitios distribuidos espacialmente.In the short term 230 MW of solar photovoltaic power (PV) are going to be incorporated to Uruguay's electricity grid. Solar resource fluctuations difficult the energy dispatch and are the main obstacle to increase the relative contribution of solar energy to the grid. In this work we present the first study in Uruguay that attemps to quantify the reduction of these fluctuations due to the spatial distribution of PV plants. This reduction was analyzed considering the sites by pairs and by sets. The study was done for sites where 1-minute and hourly data are available and for the PV locations. For the PV plants sites we used hourly estimates from a satellite-based model that was specially adjusted for Uruguay and the region. The solar resource variability decays with increasing distance between two sites and when several distributed sites are grouped together.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Evaluación del proceso de adaptación al sitio aplicado a la irradiancia solar global medida en la ciudad de Salta, Argentina.

En este trabajo se analizan los resultados de aplicar técnicas de adaptación al sitio a estimaciones satelitales 15-minutales de irradiancia solar global en plano horizontal (GHI) de las bases de datos CAMS y SOLCAST, utilizando medidas de la ciudad de Salta (Argentina) durante el periodo 2013-2014. Se analizan dos implementaciones de la adaptación lineal simple, la adaptación por CDF, y su combinación CDF+Lineal, utilizando la adaptación lineal de mejor desempeño individual para la combinación. La ganancia de los procesos de adaptación lineal se evalúa por comparación con el desempeño de los estimativos en su versión original, que también se evalúa en este trabajo para el sitio específico. Los resultados muestran que efectivamente no es recomendable utilizar la primera adaptación lineal analizada y que tanto la segunda adaptación lineal como la adaptación por CDF ofrecen buenos resultados para CAMS y marginales para SOLCAST, que ya presenta un buen desempeño en su versión original. La combinación de CDF+Lineal no ofrece una mejora significativa, pero logra eliminar la pequeña tendencia subsistente entre los estimativos adaptados por CDF y las medidas de tierra

Red de medida contínua de irradiancia solar

Antecedentes. -- 1.1. Mapa Solar del Uruguay - versión 1 (MSUv1). -- 1.2. Estaciones de primera generación (G1). -- 1.2.1. Electrónica y telecomunicaciones. -- 1.3. Modelado de irradiancia solar en base a imágenes de satélite. -- 1.3.1. Base de Imágenes de la serie GOES. -- 1.3.2. Modelo BD-JPT para estimación de GHI. -- 1.3.3. Estimación de DNI e irradiancia en plano inclinado. -- 1.3.4. Validación del modelo satelital. -- 1.3.5. Segunda versión del Mapa Solar del Uruguay (MSUv2). -- 2 Estaciones de Medida de segunda generación. -- 2.1. Funcionalidad de las estaciones G2. -- 2.2. Distribución espacial y otras características. -- 2.3. Post-procesamiento y control de calidad. -- 2.3.1. Productos. -- 2.3.2. Control de calidad. -- 2.4. Calibración de Radiómetros y Termómetros. -- 2.4.1. Calibración de radiómetros. -- 2.4.2. Calibración de termómetros. -- 3 Perspectivas a corto y mediano plazo. -- 3.1. Líneas de trabajo en el LES. -- 3.2. Medidas complementarias. -- 3.3. Mejora continua en controles de calidad. -- 3.4. Accesibilidad de la información. -- 3.5. Año Meterológico Típico (AMT). -- Appendice A Certificados de calibración. -- Appendice B Equipo de trabajo del LES 50. -- Bibliografía

Evaluación del proceso de adaptación al sitio aplicado a la irradiancia solar global medida en la ciudad de Salta, Argentina

En este trabajo se analizan los resultados de aplicar técnicas de adaptación al sitio a estimaciones satelitales 15-minutales de irradiancia solar global en plano horizontal (GHI) de las bases de datos CAMS y SOLCAST, utilizando medidas de la ciudad de Salta (Argentina) durante el periodo 2013-2014. Se analizan dos implementaciones de la adaptación lineal simple, la adaptación por CDF, y su combinación CDF+Lineal, utilizando la adaptación lineal de mejor desempeño individual para la combinación. La ganancia de los procesos de adaptación lineal se evalúa por comparación con el desempeño de los estimativos en su versión original, que también se evalúa en este trabajo para el sitio específico. Los resultados muestran que efectivamente no es recomendable utilizar la primera adaptación lineal analizada y que tanto la segunda adaptación lineal como la adaptación por CDF ofrecen buenos resultados para CAMS y marginales para SOLCAST, que ya presenta un buen desempeño en su versión original. La combinación de CDF+Lineal no ofrece una mejora significativa, pero logra eliminar la pequeña tendencia subsistente entre los estimativos adaptados por CDF y las medidas de tierra.In this work the application of site-adaptation procedures to CAMS and SOLCAST’s 15-min global horizontal solar irradiance (GHI) estimates is assessed by using 2013-2014 ground measured data at Salta city (Argentina). Two implementation softhe simple linear site-adaptation procedure, the CDF site-adaptation and their combination CDF+Linear are evaluated, using the linear site-adaptation procedure with individual better performance for the combination. The gain of the inspected procedures is quantified by comparison with the performance of the satellite estimated in their original form, that is also assessed in this work for the specific site. The results show that the first analyzed linear adaptation procedure is not recommended, and that both the second linear adaptation procedure and the CDF adaptation provide an improvement over the original estimates’ performance. This is significant for the CAMS estimates but marginal for the SOLCAST estimates, which have a good performance for the site in their original version. The combination of site-adaptation procedures (CDF+Linear) does not provide a significant improvement, but allows to eliminate the small trend between the CDF site-adapted estimates and the measured data.Asociación Argentina de Energías Renovables y Medio Ambiente (ASADES

Sombreamiento, suciedad y roturas en módulos PV: un ensayo preliminar

En este trabajo se caracterizan distintos módulos PV en exteriores bajo diferentes condiciones de irradiancia solar y temperatura. Se analiza el comportamiento ante la presencia de puntos calientes (hot spots) en paneles que presentan suciedades (soiling) y roturas, y también produciendo sombras sobre ellos. Se utilizó un equipo Solmetric PVA-1000S para relevar las curvas características de voltaje y corriente, y una cámara termográfica infrarroja para detectar puntos calientes. El trabajo se llevó adelante en el marco del curso "Taller de Energía Solar Fotovoltaica" del posgrado en Ingeniería de la Energía de la Facultad de Ingeniería, Udelar, a cargo de docentes del Laboratorio de Energía Solar (http://les.edu.uy/)

Predicción a corto plazo de la irradiación solar a partir de imágenes de satélite con aplicación a la generación fotovoltaica

Informe técnico final (Agosto 2018) Proyecto ANII FSE_1_2015_1_10993