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Pronóstico de la generación solarVI JORNADAS TÉCNICAS 2017 - SUBCOMITÉ DE PLANTASAgosto 15, 2017
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1. Necesidad de los pronósticos de generación solar
2. Conceptos básicos del recurso solar
3. Propuesta de pronósticos de solar XM
4. Herramientas para la predicción
5. Conclusiones
Contenido
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Necesidad de los pronósticos de generación solar¿Por qué son necesarios?
*Greening The Grid (2016)PRONÓSTICODEGENERACIÓNDEENERGÍAEÓLICAYSOLAR
• El recurso solar es altamente variable en el tiempo y tiene una alta incertidumbre asociada.
• Para integrar los proyectos de generación solar al SIN, de forma segura y económica, es necesario contar con herramientas que permitan pronosticar la variabilidad del recurso solar, permitiendo realizar un adecuado balance generación-carga.
• El operador requiere pronósticos de producción sistémicos los cuales usarán como insumo modelos meteorológicos globales y regionales (NCEP, ECMWF, IDEAM).
0.0100.0200.0300.0400.0500.0600.0700.0800.0900.01000.0
6:00:00 12:00:00 18:00:00
GHIMedellín
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• La radiación solar que llega al tope de la atmósfera es en promedio 1360 Wm-2, pero varía de 1320 Wm-2 a 1410 Wm-2 durante el año.
• El valor que se observa en superficie depende de la latitud y del día y hora del año.
• Antes de llegar a la superficie esta interactúa con diferentes componentes de la atmósfera, disminuyendo la radiación que se observa en superficie.
Conceptos básicos – Radiación Solar
ImagentomadadeWikipedia
NCAR RAL,2014anualreport
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• GHI: Irradiación global horizontal. Irradiación en un plano cuya normal apunta en la dirección vertical.
• DHI: Irradiación difusa. Irradiación debida a la dispersión de la luz en la atmósfera.
• DNI: Irradiación directa en un plano cuya normal apunta en dirección al sol.
• GHI es lo que un piranómetro mediría en una superficie horizontal.
• 𝑍 puede calcularse con precisiones de hasta +/- 0.0003 grados (modelo SPA de NREL)
Conceptos básicos - Irradiación Global Horizontal
𝑮𝑯𝑰 = 𝑫𝑯𝑰 + 𝑫𝑵𝑰 ⋅ 𝐜𝐨𝐬 𝒛
Imagentomadde:pvpmc.sandia.gov
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Conceptos básicos – Irradiación Global Horizontal
Los factores que más afectan la radiación global horizontal son:
• Nubosidad• Aerosoles• Humedad atmosférica• Topografía y obstrucciones
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la irradiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja frecuencia
como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Fenómenos intra-estacionales como la
oscilación de Madden Julian.• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, las ondas del este, las ondas Kelvin, y los huracanes.
• Sistemas convectivos de mesoescala .• Características locales.
Conceptos básicos – Meteorología y Clima
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• Además, la radiación en el plano de los módulos depende de otros factores como:
• La inclinación de los módulos respecto a la ubicación del sol.• El albedo de la superficie. • Objetos cercanos que puedan obstruir la radiación.
𝜃/0 depende de la inclinación de los módulos y de la posición del sol.• La generación, por otra parte, depende de:
• 𝑃𝑂𝐴• La temperatura de los módulos
Conceptos básicos – Irradiación en los módulos
𝑃𝑂𝐴 = 𝑃𝑂𝐴45/ + 𝑃𝑂𝐴46/ + 𝑃𝑂𝐴789:8;<8=
𝑃𝑂𝐴45/ = 𝐷𝑁𝐼 ⋅ cos 𝜃/0
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Propuesta de pronósticos de solar XM¿Cómo afrontar esta variabilidad?
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Para integrar los proyectos solares al SIN se necesitarán datos en tiempo real de sus condiciones meteorológicas. Los requisitos mínimos de estos datos son:
• Ser representativos de las condiciones del proyecto permitiendo estimar la generación del proyecto.
• Estar disponibles el 97% del tiempo y transmitir sus datos cada 4 segundos.
Necesidades de datos en tiempo real
Variable Unidad Precisión Alturadelsensor
GHI [W/m2] ±1W/m2 2metros
DHI [W/m2] ±1W/m2 2metrosVel.delViento [m/s] ±0.1m/s 10metrosDir.delViento [grados] ±1grado 10metrosTemperatura [°C] ±0.1°C 2metros
Humedadrelativa [%] ±1% 2metrosPresión
atmosférica [hPa] ±0.1hPa 2metros
Precipitación [mm] 2metros
Variablesmínimasquesedebenmedirdeproyectossolares
Variable Unidad PrecisiónTemp.Módulos [°C] ±0.1°CIrradiaciónplano
delmódulo [W/m2] ±1W/m2
Variablesmínimasquesedebenmedirenpuntosdemedicióndepanelesfotovoltaicos
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Herramientas para la predicción
• Engeneralsesigueelsiguientediagramadeflujoparalaprediccióndelageneraciónenplantassolares.Lasherramientasvaríanconloshorizontesdepredicciónqueseconsiderenyeltipodetecnologíadelosmódulos.
CondicionesMeteorológicas
RadiaciónGlobalHorizontal
Radiaciónenelplanodelmódulo
fotovoltaicoModelodeplanta Generaciónenla
plantasolar
Objetivo
• Tambiénescomúncombinardiferentesmodelosparaobtenerunmejorpronóstico.
InsumoEntidadExterna
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Herramientas para la predicción - Experiencia Internacional - NREL
NREL (2015)Best Practices Handbook for the Collection and Use of Solar Resource Data for Solar Energy Applications
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3. Herramientas para la predicción - Modelos estadísticos
Parahorizontesdesegundosaunospocosminutoslosmodelosestadísticosdanlasmejorespredicciones:
• Persistencia
• Modelosautoregresivos (AR,ARMA,ARIMA)
• Redesneuronales:Lasmedicionesmeteorológicasentiemporealsirvenparadarmayorconfiabilidadalasprediccionesconestosmétodos.
𝐾 =𝐺𝐻𝐼08=G=H𝐺𝐻𝐼IJK
= 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒
𝑃< = 𝛼𝑃<TU + 𝛽
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3. Herramientas para la predicción – Modelos Satelitales
Parahorizontesdeminutosahorassuelenusarselosmodelosbasadosenimágenessatelitales:• Lavelocidaddelasnubesobservadasenlas
imágenessatelitalespermiteestimarvaloresfuturosdeGHI.
• Estemétodoignoraprocesosdeformacióndenubesporloquesoloesútilparahorizontescortosdetiempo.
• Seusanmétodosestadísticospararelacionarlosdatossatelitalesconlasmedidasenelsitiodelproyecto.
• Parahorizontesdelordende30segundosaunoscuantosminutos,existenmétodossimilaresconcámarasdenubes.
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• Para horizontes temporales mayores a unas cuantas horas, los modelos dinámicos meteorológicos proveen las mejores predicciones.
• Varias agencias meteorológicas producen modelos meteorológicos dinámicos globales. Por ejemplo:
• ECMFW• NCEP - GFS y GEFS• JMA-GSM• CA – MSC y GDPS
• La resolución espacial hace que sea necesario parametrizar la convección y la radiación.
Herramientas para la predicción - Modelos meteorológicos
https://soccom.princeton.edu/content/what-earth-system-model-esm
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Los modelos globales no representan correctamente los procesos en superficie.
Por esta razón, los resultados de los modelos no son usados directamente. Primero se pasa por un procesamiento estadístico para relacionar las variables del modelos con las variables medidas.
Esto se conoce como Model Output Statistics (MOS). También se pueden usar redes neuronales en este proceso.
Herramientas para la predicción -Procesamiento estadístico de los modelos meteorológicos
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• Para integrar la energía solar al SIN de forma confiable, segura, y económica, el operador requiere de un pronóstico sistémico de generación solar que le permita hacer un adecuado balance de generación-carga.
• Es necesario contar con datos históricos y un monitoreo en tiempo real de las condiciones meteorológicas en los proyectos de generación solar para la predicción en tiempo-real y la calibración de los modelos meteorológicos.
Conclusiones
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la radiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja
frecuencia como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, como la oscilación de MaddenJulian, las Ondas del Este, las ondas Kelvin, y los huracanes
• Sistemas de mesoescala• Características locales
1. Conceptos básicos – Meteorología y Clima
Imagendewww.bom.gov.au
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la radiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja frecuencia
como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, como la oscilación de MaddenJulian, las Ondas del Este, las ondas Kelvin, y los huracanes
• Sistemas de mesoescala• Características locales
1. Conceptos básicos – Meteorología y Clima
FromBreukelen etal.,2008
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la radiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja frecuencia
como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, como la oscilación de Madden Julian, las Ondas del Este, las ondas Kelvin, y los huracanes
• Sistemas de mesoescala• Características locales
1. Conceptos básicos – Meteorología y Clima
NOAA – HuracánMathew,Marzo27,2017
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la radiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja frecuencia
como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, como la oscilación de MaddenJulian, las Ondas del Este, las ondas Kelvin, y los huracanes
• Sistemas de mesoescala• Características locales
1. Conceptos básicos – Meteorología y Clima
GOES 13,tomadadewww.wunderground.com
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¿Qué factores meteorológicos pueden influir entonces la radiación que se observa en las plantas?• Fenómenos globales de baja frecuencia
como ENSO o NAO• Fenómenos estacionales como el paso
de la ITCZ• Ondas tropicales y depresiones
tropicales, como la oscilación de MaddenJulian, las Ondas del Este, las ondas Kelvin, y los huracanes
• Sistemas de mesoescala• Características locales
1. Conceptos básicos – Meteorología y Clima
NubelenticularenRioNegro
InversióntérmicaenMedellín
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Los modelos resuelven las siguientes ecuaciones asumiendo que la atmósfera es un medio continuo:
Herramientas para la predicción - ¿Cómo funciona un modelo meteorológico?
SegundaleydeNewton
Conservacióndelamasa
Primeraleydelatermodinámica
Conservacióndetrazadoresquímicos,incluyendovapordeagua
Ecuaciónidealdegases
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Teniendo en cuenta la rotación de la tierra, su geometría, y un marco de referencia Euleriano
Herramientas para la predicción - ¿Cómo funciona un modelo meteorológico?
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La nubes y la convección profunda son parameterizadas debido a que la resolución del modelo no permite resolverlas, esta es una de las mayores fuentes de incertidumbre de los modelos globales.
Se usan relaciones simples para tener en cuenta estos procesos.
Herramientas para la predicción - ¿Cómo funciona un modelo meteorológico?
Arakawa,2004
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Los procesos radiativos también son parametrizados, teniendo en cuenta la composición atmosférica, y sus efectos se incluyen mediante la primera ley de la termodinámica.
Herramientas para la predicción - ¿Cómo funciona un modelo meteorológico?
www.ecmwf.int