msc thesis presentation - vladimir gutierrez - spain 2011june

Máster en Ciencias (MSc)Diploma de Estudios Avanzados

Federico Vladimir Gutiérrez Corea

Directores:Prof. Dr. Miguel Ángel Manso Callejo

Prof. Dr. Miguel Ángel Bernabé Poveda

Junio de 2011

Análisis de las Observaciones sub-hora de la Radiación Solar registrada por las Estaciones Meteorológicas Voluntarias de la red MeteoClimatic

ÍNDICE

Curriculum vitae

Programa de Doctorado Período de docenciaPeríodo de investigación

- Primer Trabajo Tutelado

- Segundo Trabajo Tutelado

Futuras líneas de investigación

CURRICULUM VITAE

2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011

- Actividades Académico-Profesional

DEAIngeniero en Computación

Corp. Terán

UniversidadNacional deIngeniería

PROGRAMA DE DOCTORADO

- Período de investigación:

2º Trabajo Tutelado

Revisión bibliográfica: Obtención de valores de

Radiación Solar en la Superficie Terrestre y la

Importancia en el Ámbito de las Energías Renovables.

1º Trabajo Tutelado

Investigación de la Aplicabilidad de

Observaciones de Radiación Solar Procedentes de

Estaciones Meteorológicas Voluntarias.

Futura líneas de investigación

Superados 20 créditos al cursar 6 asignaturas en el período de docencia.- Período de docencia:

PROGRAMA DE DOCTORADO- Período de investigación

OBJETIVO:Proponer fuentes de observaciones de Radiación Solar en la superficie terrestre validas y alternativas a las oficiales mediante el análisis de los valores sub-hora registrados por estaciones meteorológicas voluntarias.

MOTIVACIÓN:Aportar al conocimiento de las observaciones de la RS por estaciones en tierra y estimaciones de la RS por satélite.

TRABAJO TUTELADO Nº 1

Revisión bibliográfica: Obtención de valores de Radiación Solar en la Superficie Terrestre y la Importancia en el

Ámbito de las Energías Renovables

RADIACIÓN SOLAR (RS)

TRABAJO TUTELADO Nº 1

RADIACIÓN SOLAR (RS)

1367 W / m2 = Constante Solar (RS Extraterrestre )

TRABAJO TUTELADO Nº 1

Relación entre el uso de los recursos energéticos y el desarrollo sostenible (Hepbasli 2008)

Recursos de Energía Renovable (RERs) (solar, hidroeléctrica, eólica, geotérmica, etc.)Soluciones sostenibles con mayor potencial a problemas ambientales (Kaya 2006)

•USA - 2030 el 20% (consumo) Eólica (Toole et al 2010)

•EUROPA - 2020 el 20% (consumo) de RERs (European Economy News 2010)o ESPAÑA - 2020 el 43% (producción) de RERs (Eólica y solar fotovoltaica) (MITYC 2010)

- Importancia de la RS en el ámbito de las energías renovables

- Importancia de la RS en el ámbito de las energías renovables

Las RERs tienen dependencia de las condiciones atmosféricas

Uso simultaneo de RERs (Hoicka y Rowlands 2011), (Agelidis y Shrivastava 2009)

- Importancia de la RS en el ámbito de las energías renovables

Aplicaciones de la RS a nivel del suelo:

• Instalaciones solares fotovoltaicas (Sherwani, Usmani, Varun 2010).• Energía termo solar (Chow 2010)(Apaza et al 2009).• Diseño fotovoltaico integrado en edificios (Brescia 2010)(Chemisana 2010).•Agricultura, silvicultura (Fu y Rich 2002).

•Automóviles alimentados por energía solar (Taha et al 2008).

El creciente número de aplicaciones de las RS como RERs está motivando un incremento en la demanda de información de la RS a nivel del suelo.

- Fuentes de valores de RS a nivel del suelo:

1. Valores obtenidos por estaciones meteorológicas de RS en Tierra:

• Son los mejores valores RS.

• Su cantidad y distribucióngeográfica es poco densa. (Polo, Zarzalejo, Ramírez 2008)

• En USA la razón entre RS y Temperatura es 1:100

• En el mundo la razón es 1:500 (Badescu 2008)

• En España AEMET 23/258 a 10 minutos … razón de 1:11 (AEMET 2011)

2. Interpolación espacial de la RS observada por estaciones en tierra:

• Permite disponer de valores de RS de forma continua.

- Fuentes de valores de RS a nivel del suelo:

2. Interpolación espacial de la RS observada por estaciones en tierra:

• Permite disponer de valores de RS de forma continua.

• Los errores son tolerables en un área de influencia cuyo límite se fija en los 25 km de distancia (Zelenka et al 1999).

- Fuentes de valores de RS a nivel del suelo:

3. Estimación/cálculo de la RS mediantes sensores remotos utilizando imágenes de satélites:

• Fuente útil de información de RS a nivel del suelo (Polo, Zarzalejo, Ramírez 2008).• Permite disponer de valores de RS de forma continua.• Cubre grandes áreas de forma homogénea.

• Valores de la RS menos exactos que las observaciones en tierra y sus interpolaciones a un rango de 25 km (Perez, Seals, Zelenka 1997).

• Es más adecuados para bajas resoluciones espacio-temporales(Umer, Kulik, Tanin 2010).

- Fuentes de valores de RS a nivel del suelo:

4. Otras variables meteorológicas y fuentes de datos para simular los valores de la RS en lugares no observados.

Este es el caso del modelo METSTAT (Maxwell 1998), utilizado en la creación de la Base de Datos Nacional de Radiación Solar en USA (NSRDB) (NREL 1992).

- Fuentes de valores de RS a nivel del suelo:

TRABAJO TUTELADO Nº 1

Existen muchas aplicaciones de la RS como fuente de energía que han incrementado la demanda de información de RS.

Los mejores valores de RS son los entregados por las observaciones de estaciones en tierra . Por lo tanto lo recomendable es densificar las estaciones en tierra .

+

- Conclusiones

Una propuesta de Fuentes alternativas a las oficiales, es el uso de redes meteorológicas por voluntarios (VGI) como MeteoClimatic que al ser fuentes VGI se les debe estudiar su validez.

TRABAJO TUTELADO Nº 2

Investigación de la Aplicabilidad de Observaciones de Radiación Solar Procedentes de Estaciones Meteorológicas

Voluntarias

TRABAJO TUTELADO Nº 2

(1) Recolección de series temporales de RS.

- Metodología

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3

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(2) Alineación temporal de las series ycarga en la Base de Datos de integración de RS.

(3) Identificación de valores atípicos.

(4) Cálculo de Errores por distintos tipos de agrupaciones.

TRABAJO TUTELADO Nº 2- Metodología

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- Metodología(1) Recolección y Carga de RS datos desde distintas fuentes.

AEMET: Estaciones de RS = 23, n = 181 432

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

AEMET: Estaciones de RS = 23, n = 181 432

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

MeteoClimatic: Estaciones de RS = 227, n = 2 936 998

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

MeteoClimatic: Estaciones de RS = 227, n = 2 936 998

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

HelioClimwww.SoDA-is.com

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

HelioClimwww.SoDA-is.com

- Metodología(1) Recolección de series temporales de RS. Datos experimentales.

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- Metodología(2) Alineación temporal de las series y carga en la Base de Datos de integración de RS.

- Minutos sexagesimal.- Hora UTC.- Coincidencia en las Observaciones

(interpolaciones) y relleno de lagunas.

- Metodología(2) Alineación temporal de las series y carga en la Base de Datos de integración de RS.

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- Metodología(3) Identificación de valores atípicos.

3.1) Selección de Valores Observados o interpolados en el tiempo a menos de 20 minutos.

3.2) Valores de la RS cuando el sol se encuentra sobre el horizonte. Horarios de salida y puesta del sol para las capitales de provincia(FOMENTO 2011).

3.3) Detección de valores atípicos:- Todas las diferencias.- Diferencias agrupadas por meses.- Todas los Errores Relativos.- Errores Relativo agrupado por meses.

- Metodología(3) Identificación de valores atípicos.

Ea = EstimacionPorSatelite – ObservacionEnTierra

- Metodología(3) Identificación de valores atípicos.

Er = (Ea * 100) / ObservacionEnTierra

- Metodología(3) Identificación de valores atípicos.

- Metodología(4) Cálculo de Errores por distintos tipos de agrupaciones.

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- Metodología(4) Cálculo de Errores por distintos tipos de agrupaciones.

- Metodología(4) Cálculo de Errores por distintos tipos de agrupaciones.

- Metodología(4) Cálculo de Errores por distintos tipos de agrupaciones.

RESULTADOSValores validos

RESULTADOSValores validos

RESULTADOSErrores Relativos.

RESULTADOSErrores Relativos.

RESULTADOSErrores Relativos.

TRABAJO TUTELADO Nº 2Errores Relativos.

TRABAJO TUTELADO Nº 2Errores Relativos.

Conclusiones

1) Error entre las estimaciones de la RS por satélite y observaciones de la RS no es constante a lo largo del ciclo solar.

CONCLUSIONES

2) Los valores de Error Cuadrático Medio (ECM) obtenidos permiten confirmar la utilidad de MeteoClimatic como una fuente alternativa de observaciones de RS. ECM de AEMET vs HelioClim = 26.22 y ECM MeteoClimatic vs HelioClim 29.48.

3) Se densifica espacialmente las regiones y contexto geográfico de las observaciones de RS por estaciones en tierra. Abarcando un 22% de la extensión geográfica Española al considerar los 25 km de área de influencia por la interpolación de sus valores.

4) Los resultados de la agrupación espacial por longitudes indican la existencia de una relación entre las diferencias de los errores y la diferencia de las longitudesimplicadas.

CONCLUSIONES

5) Agrupación espacial por cuasi-latitudes: No indican ninguna relación/tendencia aparente entre sus errores..

6) Errores relativos en función a la distancia entre las estaciones meteorológicas y el centro de observación del satélite en la tierra indica la existencia de una relación entre dicha distancia y el error relativo.

7) A pesar de confirmarse la utilidad de la red MeteoClimatic, no se puede considerar la red de estaciones voluntarias en su conjunto válida o inadecuada, sino que el análisisse ha de realizar a nivel de estación. El estudio realizado proporciona un método para estudiar las estaciones en función de la bondad sus observaciones.

8) En los primeros instantes de luz del día las estimaciones de la RS por satélite registran valores de RS mayores a los que registran las estaciones meteorológicas en tierra.

CONCLUSIONES

FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

1) Analizar con más rigurosidad los posibles problemas derivados de la posible falta de sincronismo en los relojes de las estaciones meteorológicas voluntarias y la transformación de los tiempos de sus observaciones a Tiempo Solar Verdadero.

2) Mejorar la densificación espacial de las fuentes de observaciones por estaciones en tierra agregando más redes de estaciones que ofrezcan valores de RS en tiempo cuasi-real ( Weather Underground, Weather Link, CWOP, las comunidades autónomas, la dirección general de tráfico, etc.), utilizando el método y programas desarrollados en este estudio.

3) Crear superficies de RS que abarquen todo el territorio Español utilizando como fuente la BD de integración de observaciones de RS generadas para este estudio.

4) Identificar el mejor método de interpolación de observaciones de RS.

5) Predecir la RS a corto plazo combinando la nubosidad mediante técnicas de inteligencia artificial como la redes neuronales.

- Publicaciones y Contribuciones en congresos

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Muchas gracias por su atención.

Vladimir Gutiérrezfv.gutierrez@upm.es

www.vlado.es

Junio de 2011