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Title: Evaluación de metodologías de interpolación de radiación solar en Colombia
Authors: Zuluaga Pulgarín, Diana Patricia
Adviser: González Duque, Daniel
Keywords : Brillo solar
Irradiación
Metodologías de interpolación
Modelo Angström-Prescott
Sunshine duration
Solar radiation
Interpolation techniques
Issue Date: 2018
Publisher: Universidad EIA
Abstract: La estimación de la irradiación en un territorio es un insumo necesario para el desarrollo de proyectos de generación de energía solar. Es importante contar con una buena caracterización del recurso solar que haga eficientes la ubicación y el dimensionamiento de este tipo de instalaciones. Actualmente, la caracterización espacial de la radiación solar en Colombia proviene del Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia presentado por el Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM, en el cual se muestran mapas de brillo solar e irradiación global horizontal a escalas mensual y anual para todo el territorio nacional a partir de información medida en tierra, aplicando la técnica de interpolación ponderación por el inverso de la distancia (IDW, por sus siglas en inglés). Aunque IDW es una buena aproximación para estimar campos de radiación, genera patrones circulares anormales en la superficie interpolada alrededor de los puntos de medición y asume que el comportamiento espacial de las variables es únicamente dependiente de la distancia, lo que puede traer consigo algunos problemas. Esto hace indispensable que se evalúen otras metodologías que puedan generar mejores resultados, especialmente en zonas con baja cobertura de estaciones. En este estudio, se evaluaron 42 combinaciones de parámetros asociados a las metodologías de interpolación IDW, splines de plato delgado (TPS, por sus siglas en inglés), kriging ordinario (OK, por sus siglas en inglés) y kriging universal (UK, por sus siglas en inglés), para generar mapas anuales de brillo solar usando información medida en tierra proveniente 276 estaciones, e información derivada de satélite de precipitación acumulada, elevación y flujo de radiación de onda corta. Se seleccionaron nueve combinaciones de parámetros que presentaron los menores errores, para las cuales se generaron mapas anuales de brillo solar. Se implementó el modelo Angström-Prescott para convertir brillo solar en irradiación, generando mapas de irradiación basados en una zonificación climática que divide el país en cuatro regiones con climatología común: Andes, Pacífico, Orinoico-Amazonía y Caribe. La combinación que mejor desempeño mostró usó la metodología de interpolación UK e información secundaria de flujo de radiación de onda corta. Para brillo solar, esta combinación presentó un error medio aritmético (MBE, por sus siglas en inglés) de 0,163 horas, un error cuadrático medio (RMSE, por sus siglas en inglés) de 0,817 horas y un error medio aritmético estandarizado (MBES, por sus siglas en inglés) de 3,5%. Para irradiación, presentó un MBE de 0,146 kWh/m2/día, un RMSE de 0,434 kWh/m2/día y un MBES de 3,4%, arrojando el RMSE más bajo entre las 42 combinaciones evaluadas, y unos mapas que lograron exhibir el comportamiento espacial esperado de las variables e identificar los elementos principales de la orografía colombiana. Adicionalmente, se generaron campos mensuales de brillo solar e irradiación usando la mejor combinación. Los resultados obtenidos permiten aportar herramientas para mejorar las estimaciones en el futuro. Este estudio se constituye como un recurso importante para el desarrollo de proyectos de generación fotovoltaica en Colombia y para poder nutrir el conocimiento del público en general sobre el comportamiento de esta variable.
Abstract (English): Estimating the amount of solar radiation within a territory is a great tool for the development of projects related to solar energy generation. It is important to have a good understanding of the solar resource to make the placement and sizing of new facilities of this type of project more efficient, in relation to the prevailing weather conditions. Currently, the characterization of solar radiation in Colombia comes from ‘Atlas de Radiación Solar, Ultravioleta y Ozono de Colombia’ provided by the Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales - IDEAM, which presents monthly and annual sunshine duration and global horizontal radiation maps for the domestic region, based on ground-measured data while applying the inverse distance weighting (IDW) interpolation technique. Although IDW is a good approximation to determine interpolated radiation surfaces, it generates abnormal circular patterns on the interpolated surface around the measurement points and assumes a dependence on the spatial behavior of the variables with distance, which may present some problems. It is essential to evaluate other interpolation techniques that can generate better results, especially in areas with low station density. In this study, 42 combinations of parameters associated with IDW, thin-plate splines (TPS), ordinary kriging (OK) and universal kriging (UK) interpolation techniques were evaluated to obtain annual sunshine duration maps using ground-measured data from 276 stations and satellite-derived information of elevation, accumulated precipitation and short-wave radiation flux. Nine combinations of parameters were selected for showing the lowest errors, for which annual sunshine duration maps were generated. The Angström-Prescott model was used to convert sunshine duration into solar radiation, generating annual solar radiation maps based on a climate zoning that divided the country into four regions with a common climate: Andes, Pacific, Orinoco-Amazon and Caribbean. The best performance combination used UK as interpolation technique and short-wave radiation flux as secondary information provided by the CLARA-A1 dataset. For sunshine duration, this combination presented a mean bias error (MBE) of 0,163 hours, a root mean square error (RMSE) of 0,817 hours and a mean bias error standardized (MBES) of 3,5%. For solar radiation, this combination presented a MBE of 0,146 kilowatt hour, a RMSE of 0,434 kilowatt hour and a MBES of 3,4%, presenting the lowest RMSE among the 42 evaluated combinations, and maps that exhibit the expected spatial behavior of the variables and show the main elements of the Colombian orography. In addition, monthly sunshine duration and solar radiation fields were generated using the best performance combination. The obtained results allow for improvements to be made upon these estimations in the future. This study makes up an important resource for the development of photovoltaic generation projects in Colombia as well as to nurture the general public awareness of the behavior of this variable.
Description: 130 páginas
URI: http://repository.eia.edu.co/handle/11190/2241
Citation: Zuluaga Pulgarín, D.P. (2018). Evaluación de metodologías de interpolación de radiación solar en Colombia (Trabajo de grado). Recuperado de: http://repository.eia.edu.co/handle/11190/2241
Location: AMBI0151
Appears in Collections:Ingeniería Ambiental

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