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
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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.
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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.
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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
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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),
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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
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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)
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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
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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
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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).
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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,
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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.
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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)
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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.
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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
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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
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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.
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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
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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).
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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APENDICE I: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLARGLOBAL HORIZONTAL
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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)
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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)
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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)
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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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)
Generación de Mapas de Radiación Solar a partir de Satélites Geoestacionarios: Mapas de España
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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)
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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)
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APENDICE II: MAPAS MENSUALES DE RADIACION SOLARDIRECTA NORMAL
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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)
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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)
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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)
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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)
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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)
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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)
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