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valores diarios de irradiación directa normal
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10. OBTENCIÓN DE VALORES DIARIOS DE IRRADIACIÓN DIRECTA NORMAL A PARTIR DE VALORES DIARIOS DE IRRADIACIÓN GLOBAL HORIZONTAL
Para conocer el lugar adecuado para la ubicación de una planta que funcione con
tecnología solar de concentración es necesario conocer el potencial de la radiación
solar directa en cualquier emplazamiento. El análisis de este potencial consiste en la
generación de un año representativo del recurso solar a largo plazo, en escala
temporal horaria o incluso 10-minutal, ya que este año será el utilizado para analizar la
producción de la planta en el emplazamiento elegido e incluso optimizar en fases
posteriores el diseño de la planta.
En la mayoría de los casos, la generación de este año de valores radiométricos (donde
el principal objetivo es el valor de la directa) resulta una tarea compleja por la escasez
de medidas disponibles en la escala de tiempo necesaria.
La mayoría de bases de datos que cuentan con medidas de radiación y que son de libre
acceso proporcionan valores de irradiación mensual global sobre superficie horizontal
y en algunas ocasiones, como es el caso de la red de estaciones del Ministerio de
Agricultura Pesca y Alimentación valores de irradiación global horizontal.
Siendo la irradiación directa normal la variable que realmente nos interesa conocer
para este tipo de estudios, la solución que se utiliza en la mayoría de los casos es la
generación sintética de esta variable en la escala horaria necesaria mediante modelos
teóricos.
A continuación validaremos tres metodologías diferentes para obtener valores de
irradiación directa normal diaria (pasando por la generación de sus valores horarios)
partiendo de medidas de irradiación global diaria sobre superficie horizontal. Para ello,
utilizaremos las medidas recogidas en las estaciones de Cáceres (periodo 2006-09) y
Sevilla (periodo 2000-08) presentadas en apartados anteriores y compararemos los
resultados de irradiación diaria que proporcionan las diferentes metodologías con las
medidas registradas por las estaciones.
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valores diarios de irradiación directa normal
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A continuación describimos las tres metodologías elegidas para el cálculo de las series
diarias de irradiación directa normal:
1. Metodología: kt-kd diario y distribución horaria rd-rg.
A partir de las medidas de irradiación global diaria calculamos el kt diario
mediante la expresión [6.1] y utilizando un modelo kt-kd diario conoceremos el kd
correspondiente. Conocido el kd diario, sabemos el valor de la irradiación difusa
horizontal diaria mediante la expresión [6.2]. Mediante el modelo rg-rd
desarrollado por Collares-Pereira y Rabl descrito en el apartado (4) distribuimos la
irradiación global horizontal y difusa horizontal en valores horarios.
Por diferencia de los valores horarios de global con los de difusa horizontal
obtenemos los valores de directa horizontal, y por trigonometría (asumiendo que
durante toda la hora el valor de la altura solar se mantiene constante), calculamos
los valores de irradiación directa normal horarios:
)(0
αsen
HH
bh
bnh = [10.1]
Sumando los valores horarios de la irradiación directa normal tendremos los
valores de irradiación directa normal diaria que teníamos por objetivo.
hbn
1
Hn
dbn
h
H=
=∑ [10.2]
Resumen de la metodología 1:
Hd0g → ktd-kdd → Hd
0d → rd-rg → Hh0d, H
h0g → Hh
0b→ Hhbn→ h
b01
Hn
h=∑ → Hd
bn
2. Metodología: distribución horaria rd-rg y kt-kd horario.
A partir de las medidas de irradiación global diaria y utilizando el modelo rg-rd
desarrollado por Collares-Pereira y Rabl descrito en el apartado 4 distribuimos la
irradiación global horizontal en valores horarios. Conocidos los valores de
irradiación global horizontal horaria calculamos los kt horarios utilizando la
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expresión [7.1]. Mediante un modelo kt-kd horario hallamos los kd
correspondientes y con la expresión [7.2] los valores de irradiación difusa horaria.
Por diferencia de los valores horarios de global con los de difusa horizontal
obtenemos los valores de directa horizontal, y por trigonometría (asumiendo que
durante toda la hora el valor de la altura solar se mantiene constante), calculamos
los valores de irradiación directa normal horarios, (expresión [10.1]).
Sumando los valores horarios de la irradiación directa normal tendremos los
valores de irradiación directa normal diaria que teníamos por objetivo.
Resumen de la metodología 2:
Hd0g→ rd-rg→ Hh
0d→ kth-kdh→ Hh
0d → Hh0d, H
h0g→ Hh
0b→ Hhbn→ h
b01
Hn
h=∑ → Hd
bn
3. Metodología: distribución horaria TAG y correlación kt-kd horaria.
A partir de las medidas de irradiación global diaria calculamos el kt diario mediante
la expresión [6.1] y utilizando el modelo de distribución horaria TAG descrito en el
apartado 4 conocemos los kt horarios y con la expresión [7.1] el valor de la
irradiación global horaria para cada uno de los días. Mediante un modelo kt-kd
horario hallamos los kd correspondientes y con la expresión [7.2] los valores de
irradiación difusa horaria.
Por diferencia de los valores horarios de global con los de difusa horizontal
obtenemos los valores de directa horizontal, y por trigonometría (asumiendo que
durante toda la hora el valor de la altura solar se mantiene constante), calculamos
los valores de irradiación directa normal horarios, (expresión [10.1]).
Sumando los valores horarios de la irradiación directa normal tendremos los
valores de irradiación directa normal diaria que teníamos por objetivo.
Resumen de la metodología 3:
Hd0g → ktd → TAG→kth
→ kth-kdh → Hh0d, H
h0g → Hh
0b→ Hhbn→ h
b01
Hn
h=∑ → Hd
bn
Para analizar el comportamiento de las tres metodologías utilizando los valores de la
estación de Sevilla emplearemos los modelos kt – kd obtenidos con los datos de
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directa (llamados en apartados anteriores kt-kdD), ya que como queda demostrado en
apartados anteriores resultan más adecuados debido al dispositivo de sombra
empleado para la medida de los valores de irradiancia difusa. Por realizar las
comparaciones entre los resultados con el mayor rigor posible, se utilizarán
inicialmente los modelos obtenidos con las medidas de directa para la estación de
Cáceres. De esta forma, comparamos resultados con modelos que han sido obtenidos
mediante medidas que han sido registradas con dispositivos similares.
10.1 ANÁLISIS DE LAS METODOLOGÍAS CON MODELOS POLINÓMICOS KT-KD
Inicialmente se utilizarán los modelos polinomiales de tercer orden elaborados con las
medidas de irradiación directa kt-kdD diario y horario desarrollados con medidas de la
estación de Cáceres en los apartados 6 y 7 (Ver expresiones [6.12] [7.11]), para analizar
las metodologías.
A continuación se representan los valores diarios de irradiación directa normal
calculados a partir de las medidas diarias de la estación de Cáceres utilizando dichos
modelos:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hb
nca
lcu
lad
os
-M
J/m
2
Hbn medidos - MJ/m2
Emplazamiento: Cáceres
CP + kd-kt horario CP + kd-kt diario TAG + kd-kt horario
Lineal (CP + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt diario ) Lineal (TAG + kd-kt horario)
Figura 32. Representación de los valores de radiación directa normal medidos en Cáceres frente a los
estimados con las tres metodologías descritas utilizando los modelos kt-kdD polinomiales de tercer
orden.
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Aplicando las metodologías a las medidas registradas por la estación del GTER
utilizando los modelos horarios y diarios kt-kdD polinomiales de tercer orden
presentados en el apartado 8 (Ver expresiones [8.5] y [8.11]) obtenemos los siguientes
resultados:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hb
nca
lcu
late
d -
MJ/
m2
Hbn measured - MJ/m2
Emplazamiento: Sevilla
CP + kd-kt horario CP + kd-kt diario TAG + kd-kt horario
Lineal (CP + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt diario ) Lineal (TAG + kd-kt horario)
Figura 33. Representación de los valores de radiación directa normal medidos en Sevilla frente a los
estimados con las tres metodologías descritas utilizando los modelos kt-kdD polinomiales de tercer
orden.
Se observa como en ambas estaciones los valores de irradiación directa normal
estimados con la metodología 2 (CP + kt-kd horario) son los que mejor se ajustan a los
valores medidos, principalmente en la estación de Sevilla. También podemos observar
que las otras dos metodologías sobreestiman los valores de irradiación directa diarios,
siendo la metodología 3 (TAG + kt-kd horario) la que más se aleja de los valores
experimentales. Esta misma tendencia puede observarse en la siguiente tabla, donde
se recogen los valores del error medio (MBE) y el error cuadrático medio (RMSE) para
cada uno de los casos:
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Tabla 13. Medidas del error que se introduce al utilizar las 3 metodologías propuestas con los modelos
polinomiales kt-kdD
Metodología 1 Metodología 2 Metodología 3
Cáceres Sevilla Cáceres Sevilla Cáceres Sevilla
MBE (MJ/m2) 0.85 1.13 -0.52 -0.30 1.06 1.85
RMSE (MJ/m2) 2.30 2.62 2.20 2.43 3.02 3.44
Como se muestra en la tabla el error medio que introduce la metodología 2 es el único
negativo, eso quiere decir que es la única que subestima los valores de irradiación
directa normal diaria. Para el caso de Cáceres esta cantidad supone un 2.7 % respecto
al valor medio de irradiación directa normal diario registrado en la estación con un
error cuadrático medio del 11.3 %. Para la estación de Sevilla el resultado es aún
mejor, el error medio cometido al utilizar la segunda metodología es del 1.5 %
(respecto al valor medio de irradiación directa normal diario registrado) con un error
cuadrático medio 11.9%.
Como no podemos asegurar firmemente que para el caso de la estación Cáceres los
modelos desarrollados con las medidas de irradiación directa, sean más adecuados
que los desarrollados con los modelos de difusa, a continuación se presentarán los
resultados obtenidos al aplicar las tres metodologías con los kt-kd polinomiales de
tercer orden:
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0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hb
nca
lcu
lad
os
-M
J/m
2
Hbn medidos - MJ/m2
Emplazamiento: Cáceres
CP + kd-kt horario CP + kd-kt diario TAG + kd-kt horario
Lineal (CP + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt diario ) Lineal (TAG + kd-kt horario)
Figura 34. Representación de los valores de radiación directa normal medidos en Cáceres frente a los
estimados con las tres metodologías descritas utilizando los modelos kt-kd polinomiales de tercer
orden.
Tabla 14. Medidas del error que se introduce al utilizar las 3 metodologías propuestas con los modelos
polinomiales kt-kd de Cáceres
Metodología 1 Metodología 2 Metodología 3
Cáceres Cáceres Cáceres
MBE (MJ/m2) 2.05 0.56 2.15
RMSE (MJ/m2) 2.59 2.24 3.30
Como se observa en la tabla, al utilizar el modelo polinomial de tercer orden estimado
con los datos de difusa registrados en la estación de Cáceres las tres metodologías
utilizadas sobreestiman los valores de directa, siendo de nuevo la metodología 2 la que
mejor resultado proporciona, con un error medio del 2.9 % respecto al valor medio de
directa registrado con una error típico del 11.5 %. Los resultados que muestran las
otras dos metodologías son muy similares y se encuentran más alejados. Si
comparamos los errores medios obtenidos con el modelo polinomial de tercer orden
kt-kd y kt-kdD, comprobamos que son muy parecidos sin embargo el obtenido con
valores de difusa sobreestima los resultados mientras que el de difusa los subestima,
aunque ambos proporcionan resultados aceptables.
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Para conocer la influencia de utilizar un modelo de descomposición que no haya sido
elaborado con los propios datos del emplazamiento, se ha utilizado el modelo de
descomposición horario de Erbs, descrito en el apartado 3.1 para evaluar las
metodologías 2 y 3 con las medidas de irradiación diaria de la estación de Sevilla.
Los resultados obtenidos al aplicar la metodología 2 y 3 con el modelo de
descomposición kd-kt horario de Erbs se presentan en la siguiente gráfica:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hbn medidos - MJ/m2
Hb
n c
alcu
lad
os
- M
J/m
2
CP + kd-kt horario TAG + kd-kt horario Lineal (TAG + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt horario )
Figura 35. Representación de los valores de radiación directa normal medidos frente a los estimados
con las tres metodologías descritas.
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Modelos horarios kt-kd
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2
kt
kd
Erbs GTER
Figura 36. Representación de los modelos Kt-Kd horarios desarrollados por el GTER y por Erbs.
Como se observa en la gráfica cuando los modelos de distribución horaria se combinan
con el modelo de descomposición de Erbs, la tendencia del modelo de Collares-Pereira
y el TAG es la misma que se obtuvo con el modelo de descomposición del GTER, los
valores obtenidos con el modelo de distribución TAG son superiores a los obtenidos
con el de Collares-Pereira. Sin embargo, en este caso, los errores que se obtienen
respecto a los valores medidos aumentan para el modelo de Collares-Pereira y
disminuyen si se usa el modelo TAG. Este resultado probablemente sea una
consecuencia de la forma de la curva que el modelo de Erbs tiene para valores de kt
superiores a 0.7 ya que proporciona valores de kd más elevado lo que implica valores
irradiación difusa mayores (y como consecuencia valores de directa menores) para un
mismo kt que el modelo del GTER.
Tabla 15. Medidas del error que se introduce al utilizar las metodologías 2 y 3 propuestas con el
modelo kt-kd horario de Erbs.
Metodología 2 Metodología 3
Sevilla Sevilla
MBE (MJ/m2) -1.21 1.18
RMSE (MJ/m2) 3.09 3.38
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Con este análisis destacamos la importancia de validar los modelos de estimación
elegidos con medidas registradas en el propio emplazamiento. Ya que en función de la
combinación de los modelos seleccionados puede obtenerse un resultado más
adecuado para un emplazamiento concreto.
10.2 ANÁLISIS DE LAS METODOLOGÍAS CON MODELOS LINEALES KT-KD
Para ver la influencia del tipo de ajuste en los resultados que proporcionan las distintas
metodologías, utilizaremos en este caso los modelos lineales kt-kdD obtenidos con los
datos de directa con los datos registrados tanto en la estación de Cáceres como en la
estación de Sevilla:
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hb
nca
lcu
lad
os
-M
J/m
2
Hbn medidos - MJ/m2
Emplazamiento: Sevilla
CP + kd-kt horario CP + kd-kt diario TAG + kd-kt horarios
Lineal (CP + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt diario ) Lineal (TAG + kd-kt horarios)
Figura 37. Representación de los valores de radiación directa normal medidos en la estación de Sevilla
frente a los estimados con las tres metodologías descritas empleando los modelos kt-kdD lineales.
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0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Hb
nca
lcu
lad
os
-M
J/m
2
Hbn medidos - MJ/m2
Emplazamiento: Cáceres
CP + kd-kt horario CP + kd-kt diario TAG + kd-kt horario
Lineal (CP + kd-kt horario) Lineal (CP + kd-kt diario ) Lineal (TAG + kd-kt horario)
Figura 38: Representación de los valores de radiación directa normal medidos en la estación de
Cáceres frente a los estimados con las tres metodologías descritas empleando los modelos kt-kdD
lineales.
Como se observa en las gráficas al igual que ocurría con los modelos polinomiales para
ambos emplazamientos es la segunda metodología descrita (CP+kt-kd horario), la que
obtiene mejores resultados. También se observa cómo las otras dos metodologías
sobreestiman los valores estimados, siendo la metodología que emplea la distribución
horaria TAG la que más se aleja de los valores experimentales.
En la tabla adjunta se recogen los valores del error medio y el error cuadrático medio
para los dos emplazamientos estudiados:
Tabla 16. Medidas del error que se introduce al utilizar las metodologías propuestas con los modelos
kt-kdD lineales para los dos emplazamientos.
Metodología 1 Metodología 2 Metodología 3
Cáceres Sevilla Cáceres Sevilla Cáceres Sevilla
MBE (MJ/m2) 0.97 1.17 -0.17 -0.05 1.35 2.00
RMSE (MJ/m2) 2.38 2.68 2.13 2.35 3.12 3.46
Como se observa en la tabla, para ambos emplazamientos, al utilizar los modelos
lineales kt-kdD se han reducido tanto los errores medios obtenidos como los errores
cuadráticos medios. Para la estación de Cáceres el error medio cometido subestima los
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valores de directa un 0.9% con un error típico de un 11% respecto al valor medio de
directa registrado. Para la estación de Sevilla el error medio subestima las medidas un
0.2 % con un error típico del 11.5 %.
Con los errores presentados en la tabla 6 concluimos que la metodología de
distribución horaria desarrollada por Collares-Pereira junto con los modelos lineales kt-
kdD proporcionan los que mejores resultados para estimar valores de irradiación
directa normal diaria a partir de medidas de irradiación global horizontal horaria.
10.3 ANÁLISIS DE LAS METODOLOGÍAS EN FUNCIÓN DE LOS VALORES DE KT
Si analizamos la nube de puntos de los resultados que hemos obtenido con las tres
metodologías para los dos emplazamientos, vemos que la tendencia de las diferencias
entre los valores medidos y los calculados no se reparten equitativamente alrededor
de una recta. Esto indica, que los errores que se cometen utilizando las diferentes
metodologías no son proporcionales a las medidas de directa. Por este motivo, se han
analizado los errores que proporcionan las diferentes metodologías en función del
valor de su kt diario, que es lo mismo que analizarlos en función de la claridad del día.
Los resultados obtenidos para los dos emplazamientos utilizando los modelos kt-kdD
lineales se recogen en las siguientes tablas:
Tabla 17. Medidas del error que se introduce al utilizar las metodologías propuestas con los modelos
kt-kdD lineales para Cáceres.
Metodología 1 Metodología 2 Metodología 3
kt Nº días % días MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
0.1 25 3% 0.08 0.13 -0.05 0.13 -0.06 0.13
0.2 53 6% -0.17 0.68 -0.43 0.71 -0.43 0.71
0.3 60 7% -1.52 1.86 -1.93 1.87 -1.76 1.76
0.4 62 7% -0.87 2.23 -1.14 2.25 -1.08 2.34
0.5 75 8% -0.29 2.39 0.11 2.41 0.23 2.80
0.6 140 16% 1.68 2.54 0.91 2.47 2.18 3.19
0.7 423 47% 1.58 2.21 0.09 1.98 2.01 3.24
0.8 61 7% 1.11 1.95 -1.24 1.34 2.71 1.63
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Tabla 18. Medidas del error que se introduce al utilizar las metodologías propuestas con los modelos
kt-kdD lineales para Sevilla.
Metodología 1 Metodología 2 Metodología 3
kt Nº días % días MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
MBE
(MJ/m2)
RMSE
(MJ/m2)
0.1 48 2% -0.01 0.37 -0.12 0.37 -0.13 0.37
0.2 83 3% -0.41 1.03 -0.63 1.06 -0.64 1.06
0.3 134 5% -1.41 1.70 -1.58 1.69 -1.41 1.66
0.4 186 8% -0.76 2.23 -0.73 2.23 -0.27 2.47
0.5 238 10% -0.01 2.61 0.23 2.62 1.07 3.06
0.6 491 20% 1.90 2.85 1.09 2.67 2.79 3.71
0.7 1224 50% 1.74 2.51 -0.16 2.20 2.78 3.38
0.8 61 2% 2.07 1.52 -0.94 1.16 3.28 1.98
Se observa en ambas tablas que los valores de kt iguales a 0.6 y 0.7 son los que
cuentan con mayor número de días y en ambos emplazamientos la metodología 2 es
la que menor error medio y desviación típica introduce. También se observa que para
dichos valores de kt las otras dos metodologías sobreestiman las medidas de directa.
Por este motivo es la metodología 2 la que mejor resultado suministra en todos los
casos propuestos y las otras 2 metodologías proporcionaban valores superiores a los
medidos. Sin embargo, para el resto de valores de kt en la mayoría de los casos, es la
metodología 1 la que proporciona errores menores.
Si observamos los errores cometidos con la metodología 3 podemos observar para
ambos emplazamientos que para valores de kt inferiores a 0.5 los errores medios son
todos negativos mientras que los superiores son positivos. También observamos que
dicha metodología se aleja más de los resultados experimentales para valores de kt
superiores a 0.6. Algo parecido ocurre con la metodología 1, donde los peores
resultados que proporcionan son para kt iguales a 0.3 y para kt mayores a 0.6 .
La conclusión que podemos sacar de este análisis es que dependiendo del tipo de día
que estemos analizando resulta más apropiada utilizar una metodología u otra. Quizás
utilizar una mezcla de las metodologías 1 y 2 mejoraría los resultados obtenidos.