FUNDAMENTOS

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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

FUNDAMENTOS

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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

FUNDAMENTOS

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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

FUNDAMENTOS

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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

FUNDAMENTOS

25

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