Introducción

Cuando se requiere el análisis de la potencialidad de un lugar a los efectos de posible instalación de una Planta Solar Fotovoltaica o Térmica, es fundamental conocer el dato de recurso solar de la zona.

La energía del Sol hasta llegar a la superficie de la Tierra atraviesa la atmósfera que contiene ciertos obstáculos que tienden a disminuirla, como ser mezcla de gases, junto con elementos no gaseosos en suspensión formando un “aerosol”, tales como el polvo atmosférico y seres microscópicos o partes de seres mayores (esporas, polen)¹.

Algunos componentes de la atmósfera son permanentes y casi constantes, pero otros no, entre ellos se encuentran los aerosoles, los cuales cambian según el lugar y varían con el tiempo². Y en días claros, son los causantes de la mayor atenuación de la radiación solar¹.

El coeficiente de Turbidez de Amstrong, entendiendo al mismo como el espesor óptico de aerosoles, condiciona la radiación que puede llegar a incidir sobre la superficie terrestre. En este sentido el aumento de dicho coeficiente pone de evidencia mayor atenuación de la Irradiancia Directa Normal (DNI) que llega a la superficie³.

Una de las posibilidades de llevar a cabo la estimación de la turbidez es medirlo de manera indirecta. O sea, medir de forma directa alguna magnitud relacionada con la energía solar como la DNI y así ajustar el valor de turbidez con la comparación, de lo medido con lo obtenido teóricamente por algún modelo de simulación.

Los modelos de simulación permiten determinar en función de ciertos datos de entrada diferentes parámetros de la radiación solar. Entre los modelos que podemos citar se encuentran el Smart versión 2.9, el Espectral y el modelo hibrido de Young⁴. Con el objeto de estimar el coeficiente de turbidez se trabajó con el primero.

Finalmente desarrollar una función de la turbidez como función del tiempo para algunos días en diferentes épocas del año nos permite saber cuan atenuada o no termina de encontrarse la DNI.

Se trabajó sobre un lugar llamado El Rosal, ubicado en el municipio de Campo Quijano y en el paraje llamado Quebrada del Toro. Este lugar se encuentra a una altura de 3355 msnm. Se eligió este lugar, primero por ser un sitio de altura en la provincia y segundo por disponer de datos de DNI medidos con un pirheliómetro para tres épocas diferentes en el año.

2. METODOLOGÍA

El método de trabajo para lograr el objetivo planteado, pone en juego el procesamiento de los datos de DNI y β obtenidos con el modelo Smart 2.9, como así también la comparación de los mismos con los datos medidos en el lugar.

El modelo citado fue desarrollado en Excel trabajando bajo el entorno de solver. Así mediante el llenado de diecisiete tarjetas Fig.1, que componen los datos de entrada se puede obtener como dato simulado del orden de treinta variables de salida Fig. 2. Entre las tarjetas más relevantes a los efectos de nuestro trabajo citamos la tarjeta diecisiete con el llenado de las características de ubicación (latitud y longitud) y hora en 57la cual se desea la salida, la tarjeta dos, tres y cuatro con los datos de altura del sitio y valores de temperatura y presión, que brindan la concentración de vapor de agua en atmosfera, la tarjeta nueve, que será el valor de turbidez sugerido y que se puede modificar. La tarjeta once con el rango espectral y finalmente la tarjeta doce donde se selecciona las variables de salida que se desea arrojen el programa.

Los datos que se tienen medidos del lugar, corresponden a los provistos por una estación meteorológica instalada en la escuela de EL Rosal, la cual provee datos de temperatura ambiente, humedad relativa y radiación global. La medición de temperatura se toma con un sensor LM35, la humedad relativa por un sensor Hs 1101 y los valores de radiación por dos Piranómetro (un CM3 y un fotovoltaico). Por otro lado, se cuenta con los datos de Irradiancia Directa Normal medidos por un pirheliómetro con un seguimiento manual al sol durante las horas en que este se encuentra visible. Cabe aclarar que en función de los días en que se realizó la campaña de medición las muestras se analizan en tres épocas del año, donde cada época corresponde al menos a dos días bajo estudio. Esto es diciembre de 2017, abril y junio de 2018.

De los días analizados, el valor de turbidez estimada se tomó como referencia el mediodía solar con tres horas antes y tres horas después a intervalos de veinte minutos. Esto se hace a los efectos de encontrarse dentro de la campana de los valores representativos de DNI. Así entonces, para un día cualquiera se encontrará los valores de turbidez entre las 10 de la mañana y las 4 de la tarde, salvo en aquellos días en que no se cuenta con datos de DNI por razones determinadas.

El proceso de generación de los valores de turbidez del lugar es el siguiente. Utilizando el modelo Smart 2.9 se determina el valor de Irradiancia Directa Normal para un valor dado de turbidez. Esto queda determinado por el llenado de dicho valor del coeficiente en la tarjeta correspondiente del programa de simulación.

A continuación, se simuló con Smart y se obtuvieron los valores de radiación espectral para una hora determinada dentro del rango de longitud de onda predeterminado. Se integró los valores de radiación obtenidos a los efectos de encontrar un valor de DNI para el día y la hora respectiva. Este valor finalmente se contrasta con el dato de DNI medido en el lugar y se ajusta ambos valores corrigiendo el valor de turbidez para hacer converger con cierto error mínimo entre los valores de DNI medido y estimado por el programa.

Así se puede obtener entonces un valor de turbidez del lugar para un día en una hora determinada.

El dato implícito, pero al mismo tiempo relevante que se necesita para simular la DNI con Smart, es la humedad relativa, la temperatura ambiente y el promedio de temperatura en el día. Estos datos son solicitados por una de las tarjetas del modelo para poder introducir de manera indirecta el valor de agua precipitables de la atmósfera del lugar. En momentos de simular, se decidió albergar la posibilidad de variar el valor de humedad relativa tomada de la estación meteorológica debido a una posible no calibración correcta del instrumento en la estación. En este sentido la variación correspondiente se decidió no fuera más de un 10 % respecto al valor medida por la estación.

3. RESULTADOS

A continuación, se muestran los resultados obtenidos de la variación del coeficiente de turbidez de Ångström en distintos horarios para diferentes días correspondiente a las tres muestras de datos analizadas. Se recuerda que cada muestra responde a un mes en el año. La estación meteorológica que se encuentra instalada en la localidad de El Rosal puede medir radiación global, temperatura ambiente y humedad relativa. De los tres sensores, el que proporciona la humedad relativa, tal cual como se mencionó en el apartado anterior, es el que podría presentar el mayor error en la medida. Teniendo en cuenta esto último se decide no solo ajustar la DNI simulada con la medida por el coeficiente de turbidez sino también disminuyendo los valores de humedad relativa hasta en un 10% del valor proporcionado por el sensor. Este ajuste se realiza a los efectos de acercar el dato simulado de DNI con el medido.

La primera muestra de datos corresponde al mes de diciembre de 2017, la segunda a abril de 2018 y la tercera a junio de 2018. A continuación, se presentan las Fig. 3 y 4 con datos del día 6 de diciembre y el día posterior.

En la siguiente TABLA I y II, se muestra los valores de Irradiancia Directa Normal sobre plano horizontal simulados y medidos para los días 6 y 7 de diciembre, como así también los valores de turbidez que permitieron hacer el ajuste entre estos dos valores. En la última columna cabe observar la diferencia entre los valores medidos y simulados. Se aprecia un salto no mayor a los 70 W/m2 para el día 6 de diciembre, mientras que para el día 7 el salto no supera los 20 W/m2. Resulta aceptable en ambos casos esta diferencia en virtud de los errores en juego, incluyendo los errores en el proceso de medición con el pirheliómetro.

A continuación, se presentan las Fig. 5 y 6 de seguimiento de la Irradiancia Directa Normal para los días de diciembre. Estas gráficas se presentan desde el momento de la salida del Sol hasta el mediodía. El corte de las medidas tiene que ver con la presencia de nubosidad en ambos días a partir de las 12 horas, esta particularidad que se nos presentó al momento de tomar los datos en el lugar se debía a las lluvias que suelen presentarse en la zona por ser época favorable de verano.

En relación a esta primera entrega de resultados correspondiente cronológicamente a la primera muestra cabe mencionar que los datos llegan solo hasta el mediodía debido a que los datos restantes presentan irregularidades en concordancia con la nubosidad constante que tuvo el resto de la tarde en esos días.

En la TABLA I para el día 6 de diciembre el salto entre los valores medidos y simulados de Irradiancia Directa Normal es del orden de 40 W/m2, mientras que para el día siguiente según TABLA 2 desciende a no más de 10 W/m2. En ambos casos esta diferencia resulta aceptable y puede ser atribuido a los errores propios asociados con las medidas realizadas. Las gráficas correspondientes, según se puede observar de la fig. 5, muestran un acompañamiento de los valores simulados con los valores medidos, ya mencionados por la tabla, a su vez el crecimiento de los mismos en el tiempo resulta esperado por el movimiento del sol cuando se acerca al mediodía solar.

Si se analiza la variación del coeficiente de turbidez de Ångström que se presenta en la Fig. 5 y 6, en ambos días se ve que Beta parece oscilar alrededor de un valor promedio en el caso del día 6 de diciembre este valor corresponde a 0,015, mientras que para el día 7 es de 0,027.

Datos de variación del Coeficiente de Turbidez abril 2018

Los valores de turbidez que a continuación se representa son del mes de abril, aquí las variaciones fueron entre 0.01 y 0.025 aproximadamente para los cuatros días,como se puede observar en la Fig. 7, 8, 9 y 10. Una de las apreciaciones que se pueden determinar de las siguientes gráficas es que a medida que aumentan los valores de la radiación solar sucede lo mismo con los valores de la turbidez.

Los datos de DNI Medidos y DNI estimados, se puede ver en las siguientes Fig. 11, 12, 13 y 14. Se estimó un valor de DNI con el programa Smart 2.9 modificando fechas, horas, posición y datos meteorológicos en cada una de las tarjetas.

Las diferencias que presenta de los valores de DNI medido con los de DNI Estimado van desde 0 a 70 W/m2, que es lo que anteriormente se había determinado como valores a obtener. Se puede apreciar que los crecimientos de las gráficas de radiación presentan algunas atenuaciones debido a los datos que se tomaron in situ.

A continuación, se muestran las gráficas correspondientes a los valores temporales de Beta de Ångström correspondientes a los días 26 y 27 de junio de 2018 Fig. 15 y 16.

Con respecto a la época invernal, se muestran también las TABLA VII y VIII con datos pertinentes a DNI con los mismos contenidos que las anteriores. Se puede observar que para la fecha 26, la diferencia entre los valores medidos y simulados no superan los 50 W/m2, en cuanto al día siguiente ese límite se sitúa en 40 W/m2. Además, las medidas tomadas del pirheliómetro siempre están por encima de los simulados.

A continuación, se muestran las Fig.17 y 18 con las representaciones de los datos de DNI estimados y medidos para los días 26 y 27 de junio.

Todos los datos mostrados se trabajaron como en las dos muestras anteriores, cada 20 minutos. En cuanto a la humedad relativa, se tomó el valor medido por la estación sin ninguna modificación (HR 24%).

CONCLUSIONES

Como primera conclusión central del trabajo, se puede decir, que se cumplió con el objetivo de estimar el valor del Beta de Ångström en el tiempo, lo cual mostro un comportamiento de la turbidez, acorde a lo esperado para una zona de altura. Es decir, para días de cielo claro, el coeficiente de turbidez β, se comportaba en promedio con valores bajos, al comienzo de la salida del sol, y valores menores hacia la tarde, con la puesta del mismo. Por otro lado, el mostrar cómo evoluciona dicho coeficiente, a intervalos de 20 minutos, nos habla de comportamiento de aerosoles presentes.

La calidad de la atmósfera para los años 2017 y 2018, según las 3 muestras analizadas para el paraje de El Rosal, correspondió a una atmósfera relativamente prístina, según la clasificación de Ångström, esto debido, a que es una zona rural de clima seco con baja densidad demográfica y de difícil acceso por camino condicionado. Además, las actividades que allí se realizan son de carácter agropecuario de bajo impacto.

Aunque los días de datos disponibles son escasos, se puede apreciar que el mes de menor turbidez atmosférica fue en junio, época seca. Mientras que el mes de mayor turbidez atmosférica corresponde a diciembre, temporada de nubosidad y de lluvia.

La estimación mencionada se pudo realizar, gracias al uso del modelo Smart 2.9 para simulación de valores de radiación. Así, se aprendió a usar este modelo presentado, quedando claro la potencialidad del mismo, al contrastar sus resultados con los datos medidos.

Si bien el objetivo central no fue comparar los resultados de Irradiancia Directa Normal simulados con los valores correspondientes medidos, se pudo analizar cuanto se acercan los mismos sin necesidad de salirse del rango de valores de Beta sugeridos, entre 0.01 y 0.05.

Para trabajos futuros se podría analizar la variación de turbidez en todo un año. Esto nos mostrará, que los movimientos de aerosoles tienen otros comportamientos atenuando la radiación directa, cuyos factores pueden tener otro efecto en β, cuando sea épocas de vientos zonda, que es característico de lugares en altura.