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3.- FUNDAMENTOS
3.1 La radiación solar
3.1.1 El Sol como fuente energética
Solo una pequeña parte de la energía resultante de las reacciones que tienen lugar en el
interior del Sol llega a la superficie terrestre, aun así, es la fuente de energía más abundante de
que disponen los seres vivos. Existen varios inconvenientes que dificultan el aprovechamiento
de este tipo de energía, destacan especialmente la dispersión y discontinuidad de la radiación
solar. Este es el principal motivo por el cual a pesar de ser una fuente de energía limpia y de
calidad no se ha desarrollado en plenitud. Si se aprende a aprovechar completamente la
energía que llega del Sol se pueden llegar a satisfacer todas las necesidades de los seres vivos.
Se estima que a lo largo del presente año el Sol habrá arrojado sobre la Tierra
aproximadamente cuatro mil veces más energía de la que se va a consumir. Sería poco racional
por lo tanto no intentar aprovechar esta fuente de energía limpia, gratuita e inagotable, que
puede librar al ser humano definitivamente de la dependencia del petróleo o de otras
alternativas poco seguras, contaminantes o simplemente limitadas. Es de vital importancia por
lo tanto proseguir con el desarrollo y perfeccionamiento de las tecnologías de captación,
acumulación y distribución de la energía solar para conseguir las condiciones que la hagan
definitivamente competitiva a escala mundial.
3.1.2 Interacción de la radiación solar con la atmósfera terrestre
Antes de alcanzar cualquier punto de la superficie de la Tierra la radiación solar ha de
atravesar la atmósfera terrestre. En este proceso la radiación se ve sometida a una atenuación
que varía en función del camino recorrido, es decir, de la longitud del camino y de la
composición de la atmósfera en el mismo. El primer parámetro se puede determinar
fácilmente a partir de la altura y la posición del Sol empleando las ecuaciones básicas de
radiación solar. En cuanto a la composición de la atmósfera, ésta varía de forma importante
tanto en tiempo como en espacio. Los componentes atmosféricos más influyentes son las
moléculas de ozono, de dióxido de carbono, vapor de agua y aerosoles. Como consecuencia de
la interacción con estos componentes la radiación solar sufre diversos procesos de reflexión,
absorción y difusión. La reflexión se debe principalmente a la interacción con nubes y
partículas en suspensión. La absorción es responsable de la disminución de aproximadamente
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un 20% de la energía solar incidente en valores promedio. Los principales componentes que la
producen son el ozono, el vapor de agua y el dióxido de carbono. En cuanto a la difusión o
scattering, esta da lugar a la atenuación de la radiación solar que llega al límite superior de la
atmosfera haciendo que esta se distribuya en todas las direcciones. Los componentes
atmosféricos que producen este efecto son el vapor de agua, los aerosoles y los componentes
moleculares. Se pueden distinguir tres tipos de difusión:
Difusión de Rayleigh: Se origina cuando la longitud de onda de la irradiancia solar es mayor
que la dimensión de las partículas responsables. Este proceso es producido por moléculas de
gases constituyentes de la atmósfera, principalmente de oxígeno y nitrógeno. Afecta a
longitudes de onda cortas y es responsable del color azul del cielo. Este fenómeno se da
principalmente en las capas altas de la atmósfera.
Difusión de Mie: Se produce cuando la longitud de onda de la irradiancia solar tiene el mismo
orden de magnitud que las moléculas causantes del efecto. Su causa fundamental se debe al
vapor de agua, polvo y aerosoles. Tiene efecto sobre todas las longitudes de onda del canal
visible y se da en las capas bajas de la atmósfera.
Difusión no selectiva: se produce cuando la longitud de onda es menor que la dimensión de las
partículas. Este efecto es causado principalmente por las gotas de agua que forman las nubes o
niebla. En la siguiente figura se muestra el efecto en tanto por ciento, de los distintos
componentes de la atmósfera sobre la radiación solar.
Desde muchos puntos de vista es importante predecir la cantidad de radiación solar que
alcanza un lugar de la superficie terrestre. Este cálculo, que sería fácil de realizar si no existiese
atmósfera, resulta prácticamente imposible debido en gran parte a la variabilidad en la
composición de la atmósfera terrestre y de la nubosidad.
3.1.3 Componentes de la radiación solar
Como consecuencia del movimiento de la Tierra alrededor del Sol según una órbita elíptica la
distancia a este último varía ligeramente, lo que influye en las características de la radiación
recibida. Los datos de referencia de la radiación solar, que son la constante solar y la
distribución espectral, se establecen para las condiciones de distancia media Sol-Tierra. Se
denomina constante solar a la energía que incide por unidad de área y en la unidad de tiempo
sobre una superficie orientada normalmente a la dirección de la propagación de la radiación
solar y situada en el exterior de la atmósfera terrestre. Este valor varía ligeramente y equivale
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en valor promedio a 1367 W/m2. La radiación emitida por el Sol se distribuye en un amplio
espectro de longitudes de onda correspondiendo la mayor parte de la energía radiada a la
porción comprendida entre 0.2 y 3.0 µm, con una distribución espectral muy similar a la
producida por un cuerpo negro a 5777 K. Alrededor de la mitad de dicha energía se encuadra
dentro de la banda visible, 0.39 a 0.77 µm. El resto corresponde casi por completo a radiación
infrarroja, con un pequeño porcentaje de radiación ultravioleta.
Fig 3- 1. El sol como cuerpo negro.
La radiación global, la medición más común de la radiación solar, es la suma de las radiaciones
directa y difusa sobre una superficie. A continuación se describen estas componentes:
Radiación directa: Se conoce como radiación directa a la radiación recibida del Sol que no ha
sido absorbida ni dispersada. La radiación solar que se mide fuera de la atmósfera es en su
totalidad radiación directa, ya que no hay presencia de cuerpos o fenómenos que modifiquen
su trayectoria. Sin embargo, cuando los rayos del Sol cruzan la atmósfera, una parte de ellos
son absorbidos o dispersados y el resto logra tocar la superficie terrestre en forma directa. En
definitiva, la radiación directa es la que proviene directamente del disco solar, ha de medirse
utilizando sistemas de seguimiento del movimiento del Sol.
Radiación difusa: Es la radiación solar recibida en la superficie terrestre después de que su
dirección haya sido modificada, ya sea como consecuencia de su paso por la atmósfera o por
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
500
1000
1500
2000
2500
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
0
500
1000
1500
2000
2500
λnI 0
⋅
(W·m-2 ·µm-1)
λ (µm)
Cuerpo negro a 5777 K(tamaño = radio solar,distancia = 1 U.A.)
Espectro solar(fuera de la atmósfera)
Visible
λ (nm)
UV IR UV C UV B UV A Visible IR A IR B IR C400 30001400760315280100 106
0.3 µm(300 nm)
3 µm(3000 nm)
Radiación solar (onda corta) Onda larga
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incidir en otra superficie y posteriormente reflejarse. La radiación difusa que llega a la
superficie de captación tras ser reflejada por el suelo se llama radiación de albedo.
Radiación Global: Es la suma de las dos componentes al nivel de la superficie terrestre y sobre
un mismo plano.
En la siguiente figura se muestran gráficamente las componentes de la radiación:
Fig 3- 2. Componentes de la radiación solar.
Para medir la radiación directa normal se requiere de un sistema de seguimiento solar que
esté continuamente siguiendo la trayectoria del sol y de un dispositivo que capte los rayos en
una superficie normal a su dirección (pirheliómetro). La componente difusa se mide
generalmente con un sensor en posición horizontal (piranómetro) y un dispositivo acoplado
que lo mantiene constantemente sombreado. La radiación global que generalmente se mide a
nivel horizontal, se mide con el mismo sensor que la radiación difusa (piranómetro) pero sin
sistema de sombreamiento acoplado. Para hacer un correcto balance energético de todas las
comoponentes de la radiación, es necesario proyectar la componente directa sobre el mismo
plano en el que se encuentran las otras dos componentes, proyección que se realiza mediante
una simple relación trigonométrica
La siguiente figura muestra las tres componentes de la radiación en un día claro.
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Fig 3- 3. Representación gráfica de un día claro.
3.1.4 La radiación directa normal
Debido a la naturaleza direccional de la radiación directa normal, es esta la componente la que
se puede concentrar, además cuenta con el valor añadido de ser la componente con mayor
cantidad de energía. Sin embargo el efecto atenuador del paso de las nubes aumenta su
variabilidad espacial y temporal respecto al resto de variables radiométricas ya que
dependiendo del tipo de nube, la radiación directa puede ser atenuada de distinta manera.
Una nube se puede entender como la materialización física y visual del vapor de agua
atmosférico que al cambiar de fase y agruparse forma estructuras que cubren total o
parcialmente el cielo. El Instituto Nacional de Meteorología (INM) define el término nube
como una porción de aire enturbiada por el vapor de agua condensado en forma de cristales
de hielos, esferas congeladas o gotas liquidas, pequeñas y numerosas.
Para caracterizar la nubosidad es necesario realizar una clasificación previa de la tipología
existente en la naturaleza. A continuación se agrupan las nubes según sus formas más
habituales de presentarse en la naturaleza:
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- Cirrus: Presentan una forma definida como de “mechón de pelo”.
- Stratus: Se encuentran divididas en capas o láminas.
- Cumulus: Se trata de nubes acumuladas o amontonadas.
- Nimbus: Son nubes cargadas de lluvia.
La siguiente figura esquematiza los tipos de nubes más usados en la actualidad que se
nombran partiendo de esta calificación. Puede servir además como orientación para conocer
el nivel o altura que ocupan en la troposfera.
Fig 3- 4. Clasificación de las nubes según su forma.
En consecuencia la variabilidad temporal de la radiación directa depende fuertemente del tipo
de nube, de su tamaño y de su densidad. En las siguientes figuras se muestra gráficamente el
efecto del paso de distintos tipos de nubes en las componentes de la radiación solar.
En las figuras siguientes, las líneas rojas describen la Irradiancia Directa Normal (DNI), las
negras la Irradiancia Difusa Horizontal (DHI) y las azules la Irradiancia Global Horizontal (GHI)
en frecuencia 10-minutal. En la primera figura se observa el paso de una nube matutina, que
atenúa totalmente la DNI durante las primeras horas del día, en consecuencia, la GHI será igual
a la DHI en las primeras horas del día. En la figura 3-6 se observa el paso de bancos poco
densos de nubes que atenúan ligeramente la DNI a la par que aumentan la componente difusa.
Debido a que la directa es la componente más energética, la GHI (que recordemos, es la suma
de las otras dos componentes a nivel horizontal) se ve reducida por el paso de las nubes. En la
figura 3-7 se observan bancos de nubes más densos en los que la DNI varía del orden de 600
W/m2 en menos de 10 minutos. Por último en la figura 3-8 se observa un estrato de altura
media y de alta densidad.
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Fig 3- 5. Representación gráfica de un día con niebla matutina
Fig 3- 6. Representación gráfica de un día con bancos de nubes medias
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Fig 3- 7. Representación gráfica de un día con bancos de nubes medias y estratos.
Fig 3- 8. Representación gráfica de un día cubierto
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3.2 Predicción de la radiación solar
La meteorología es la ciencia encargada del estudio de la atmósfera, de sus propiedades y de
los fenómenos que en ella tienen lugar. Este estudio se basa en el conocimiento de una serie
de magnitudes o variables meteorológicas como la temperatura, la presión atmosférica o la
humedad, las cuales varían tanto en el espacio como en el tiempo. Esta ciencia podría
ocuparse únicamente de entender cómo se producen esos fenómenos, sin embargo, desde el
comienzo la predicción del tiempo se constituyó en uno de los pilares fundamentales del
desarrollo de la ciencia meteorológica. En la actualidad los niveles de precisión en algunas
variables meteorológicas (temperatura, humedad, velocidad de viento) han aumentado
considerablemente mientras que otras variables como las íntimamente ligadas; nubosidad y
precipitación, ofrecen predicciones menos precisas. Como se ha visto anteriormente, la
radiación solar está fuertemente influenciada por la nubosidad, por lo que la falta de precisión
de los modelos de predicción de la radiación solar depende significativamente de la falta de
precisión en la predicción de la nubosidad.
A continuación se exponen los modelos más habituales de predicción de radiación solar en
función de la metodología y del horizonte temporal. Los resultados presentados son referidos
a la componente directa de la radiación solar.
Los modelos para la obtención de predicciones de la radiación solar se pueden dividir en dos
grandes grupos:
Modelos físicos: Se basan en ecuaciones matemáticos que describen la física y la dinámica de
la atmósfera. Estas ecuaciones no tienen una solución única, debido a su no linealidad. Por lo
tanto, los métodos numéricos (NWP) obtienen soluciones aproximadas generalmente en
resoluciones temporales horarias o diarias. Los errores de estos modelos varían
significativamente dependiendo del clima. En el caso de España, hay un estudio que compara
los resultados de los diferentes modelos NWP [4] presentando errores horarios que varían
entre el 20% y el 35% en un horizonte de uno y dos días.
Modelos estadísticos: Se basan en las relaciones entre las observaciones anteriores y los
valores futuros para predecir irradiancia solar. Dependiendo de la información que se utilice
como entrada, es posible diferenciar dos grupos:
Los modelos clásicos: Estos modelos son utilizados actualmente para la predicción a corto y
medio-largo plazo donde las NWP no están disponibles. Estos modelos son menos complejos
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que los anteriores ya que necesitan menos información y tiempo de computación para hacer
predicciones. Además, pueden ser “entrenados” con una base de datos radiométrica y junto
con medidas en tiempo real, se alcanzan resultados del orden del 25% en predicciones horarias
a un día [5].
Modelos mesoescalares: Estos modelos se utilizan para la reducción de la resolución espacial
aumentando la precisión de los modelos numéricos. Generalmente los modelos presentan
pasos horarios o diarios con errores del orden del 35% [6] y del 25% [7] respectivamente.
Otra forma de utilizar modelos estadísticos es en combinación con otros instrumentos que se
utilizan para estimar la radiación solar como satélites meteorológicos o cámaras de cielo.
Ambos instrumentos generan imágenes que pueden ser utilizadas para estimar la irradiancia
solar basándose en el fuerte impacto de la nubosidad sobre esta variable utilizando los
llamados vectores de movimiento atmosférico (AVM). Los errores son del orden de un 10%
para un horizonte de predicción de 30 min y de un 25% si el horizonte se aumenta a 6 horas
[8].
Atendiendo a la escala temporal, las predicciones de la radiación solar se pueden dividir en:
Muy corto plazo: Se trata de una predicción a corto plazo, del orden de minutos o pocas horas.
Se basa en la computación de imágenes de una cámara de cielo que toma fotos
continuamente a partir de las cuales se generan vectores de movimiento de las nubes. Suele
utilizarse en centrales termosolares para mejorar su operabilidad y suelen obtenerse
predicciones en alta resolución temporal.
Corto-medio plazo: Con un horizonte de horas hasta días, en este grupo se encuentran la
mayoría de los modelos mencionados anteriormente. Se utilizan principalmente para mejorar
la gestionabilidad de las centrales y maximizar el rendimiento económico de las mismas. Se
alcanzan como máximo, resoluciones horarias. Las predicciones horarias a más de tres días
presentan resultados poco fiables en la actualidad.
Largo plazo: Se tratan de análisis estadísticos que tienen como objetivo predecir el
comportamiento del recurso solar a largo plazo en un emplazamiento. Se utilizan en los
análisis de viabilidad de las CTS. Como resultado se obtiene un año en alta resolución temporal
(del orden de minutos) ideal para la simulación del comportamiento promedio de una central
termosolar.
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La legislación española permite a los operadores de energía solar elegir entre dos posibilidades
para vender la producción de electricidad en el mercado libre de la energía:
Tarifa regulada: El operador recibe un precio fijo por la electricidad generada
independientemente del momento del día en que se genere. La energía generada mediante
recursos renovables tiene garantizada su venta para beneficiar a los promotores de las
energías renovables.
Mercado libre: El operador recibe la suma del precio de la electricidad en el mercado libre
mediante la subasta diaria más una prima adicional para compensar la competitividad de las
energías renovables.
La participación en el mercado liberalizado se regula mediante dos reglas básicas. Es necesario
predecir la cantidad de la energía que se producirá hasta 72 horas antes, y las desviaciones de
la producción de energía están fuertemente penalizadas.
La mayoría de las centrales termosolares venden la electricidad en el mercado libre pero
sufren penalizaciones debido a las desviaciones entre la electricidad predicha y generada. Por
lo tanto, el horizonte temporal de unas horas hasta tres días (forecasting, tabla 3-1) es el que
tiene más repercusión. La pela es la pela…
Tabla 3- 1. Resumen de las principales características de las predicciones de la radiación solar en función
de su escala temporal.
Horizonte Metodología Resolución
Temporal Error(%)
Muy corto plazo Minutos-horas
AVM , cámaras de
cielo, imágenes de
satélite
Minutos 10-25
Corto-medio plazo Horas-días
Modelos físicos y
estadísticos,
imágenes de
satélite
Horas 35-25
Largo plazo Años ASR, TMY Minutos 5
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3.3 Modelado de sistemas termosolares
Bajo la denominación genérica de sistemas termosolares de concentración se agrupan una
serie de sistemas basados en distintas tecnologías concebidas para la conversión de la
componente directa de la radiación solar en otra forma de energía, apta para su utilización
inmediata o para su almacenamiento, mediante el uso de concentradores. Son cuatro las
tecnologías que destacan por su grado de desarrollo, los sistemas de colectores cilindro
parabólicos, los sistemas Fresnel, los sistemas de receptor central y los discos parabólicos. Los
primeros concentran la radiación solar en un eje mientras que los dos últimos lo hacen en un
punto, pudiendo alcanzar por ello mayores relaciones de concentración.
El propósito principal del modelado de sistemas termosolares es simular el comportamiento
las centrales eléctricas termosolares. Por un lado estas simulaciones podrían utilizarse para
predecir el comportamiento de las centrales en operación, mejorando su gestionabilidad y
aumentando su rendimiento económico y por otro, para generar resultados que permitan
tomar decisiones en cuanto al diseño y el dimensionado de los principales sistemas de la
central, tales como el campo solar, sistema de almacenamiento o los sistemas de combustión
auxiliar.
El GTER ha desarrollado a lo largo de los últimos 10 años, dos modelos de simulación de
sistemas termosolares que se presentan brevemente a continuación:
GTER-DIsh[9]: Se trata de un modelo de comportamiento desarrollado en el entorno de
MatLab para el disco parabólico tipo Eurodish.. Debido a la operación de uno de estos sistemas
por parte del GTER desde 2004, existe una amplia base de datos con los parámetros
principales de operación del mismo. Dicho modelo es capaz de predecir, en función de la
localización del sistema y de las condiciones ambientales en el mismo, la producción anual y
los parámetros más significativos del mismo: rendimiento, autoconsumos, etc. Se trata, por
tanto, de una herramienta de estimación del potencial de esta tecnología. Para el desarrollo de
esta herramienta se han modelado todos los componentes de los que el sistema disco
parabólico está formado: concentrador, cavidad y motor Stirling
EOS[10]: Se trata de un modelo de comportamiento desarrollado en el entorno de Matlab para
el análisis de viabilidad y optimización de sistemas de canal parabólico. EOS se basa en una
estructura modular que facilita la adición de nuevas capacidades requeridas por las
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necesidades de los usuarios. La filosofía de EOS se basa en la fragmentación de la simulación
en módulos autónomos.
Fig 3- 9. Diagrama de flujo de EOS
Existen otros programas en el mercado para el estudio de las distintas componentes de los
sistemas termosolares [11] entre los que destaca el System Advisor Model (SAM) [12] debido a
que se trata de un software libre bien documentado y constantemente actualizado.
Para un buen rendimiento en la simulación del comportamiento de las CTS, se ha de enfatizar
en el empleo de datos meteorológicos válidos, que incluyen información detallada sobre la
distribución estadística de la irradiancia directa y altas resoluciones temporales y espaciales
[13]. El uso de valores promediados horarios empobrece la información de interés en el
sistema termosolar bajo estudio ya que no se tienen en cuenta los transitorios debidos al paso
de las nubes, de ahí que al simular un mismo año, aumenten los errores al aumentar la
resolución temporal [14]. La importancia de este proyecto radica en la necesidad de las CTS de
predicciones de DNI de alta resolución temporal con un horizonte desde unas horas hasta unos
días para así incrementar sus beneficios económicos.
METEOROLOGICAL DATA
OPERATION MODE
SOLAR FIELD
RESULTS
STEAM GENERATOR
STORAGE SYSTEM
POWER BLOCK
PLANT DESIGNDESIGN DATA