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2 Pronóstico de la generación solar VI JORNADAS TÉCNICAS SUBCOMITÉ DE PLANTAS Agosto 15, 2017

3 Contenido 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

4 Necesidad de los pronósticos de generación solar Por qué son necesarios? 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. GHI Medellín :00:00 12:00:00 18:00:00 El operador requiere pronósticos de producción sistémicos los cuales usarán como insumo modelos meteorológicos globales y regionales (NCEP, ECMWF, IDEAM). *Greening The Grid (2016) PRONÓSTICO DE GENERACIÓN DE ENERGÍA EÓLICA Y SOLAR

5 Conceptos básicos Radiación Solar 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. Imagen tomada de Wikipedia NCAR RAL, 2014 anual report

6 Conceptos básicos - Irradiación Global Horizontal GHI: Irradiación global horizontal. Irradiación en un plano cuya normal apunta en la dirección vertical. GHI = DHI + DNI cos z 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 +/ grados (modelo SPA de NREL) Imagen tomad de: pvpmc.sandia.gov

7 Conceptos básicos Irradiación Global Horizontal Los factores que más afectan la radiación global horizontal son: Nubosidad Aerosoles Humedad atmosférica Topografía y obstrucciones

8 Conceptos básicos Meteorología y Clima 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.

9 Conceptos básicos Irradiación en los módulos 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. POA = POA 45/ + POA 46/ + POA 789:8;<8= POA 45/ = DNI cos θ /0 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

10 Propuesta de pronósticos de solar XM Cómo afrontar esta variabilidad?

11 Necesidades de datos en tiempo real 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. Variables mínimas que se deben medir de proyectos solares Variable Unidad Precisión Altura del sensor GHI [W/m2] ±1 W/m2 2 metros DHI [W/m2] ±1 W/m2 2 metros Vel. del Viento [m/s] ±0.1 m/s 10 metros Dir. del Viento [grados] ±1 grado 10 metros Temperatura [ C] ±0.1 C 2 metros Humedad relativa [%] ±1% 2 metros Presión atmosférica [hpa] ±0.1 hpa 2 metros Precipitación [mm] 2 metros Variables mínimas que se deben medir en puntos de medición de paneles fotovoltaicos Variable Unidad Precisión Temp. Módulos [ C] ±0.1 C Irradiación plano del módulo [W/m2] ±1W/m2

12 Herramientas para la predicción En general se sigue el siguiente diagrama de flujo para la predicción de la generación en plantas solares. Las herramientas varían con los horizontes de predicción que se consideren y el tipo de tecnología de los módulos. Insumo Entidad Externa Objetivo Condiciones Meteorológicas Radiación Global Horizontal Radiación en el plano del módulo fotovoltaico Modelo de planta Generación en la planta solar También es común combinar diferentes modelos para obtener un mejor pronóstico.

13 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

14 3. Herramientas para la predicción - Modelos estadísticos Para horizontes de segundos a unos pocos minutos los modelos estadísticos dan las mejores predicciones: Persistencia K = GHI 08=G=H GHI IJK = Constante Modelos autoregresivos (AR, ARMA, ARIMA) P < = αp <TU + β Redes neuronales: Las mediciones meteorológicas en tiempo real sirven para dar mayor confiabilidad a las predicciones con estos métodos.

15 3. Herramientas para la predicción Modelos Satelitales Para horizontes de minutos a horas suelen usarse los modelos basados en imágenes satelitales: La velocidad de las nubes observadas en las imágenes satelitales permite estimar valores futuros de GHI. Este método ignora procesos de formación de nubes por lo que solo es útil para horizontes cortos de tiempo. Se usan métodos estadísticos para relacionar los datos satelitales con las medidas en el sitio del proyecto. Para horizontes del orden de 30 segundos a unos cuantos minutos, existen métodos similares con cámaras de nubes.

16 Herramientas para la predicción - Modelos meteorológicos 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. tent/what-earth-system-modelesm

17 Herramientas para la predicción - Procesamiento estadístico de los modelos meteorológicos 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.

18 Conclusiones 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.

19 Calle 12 sur Bloque 2 PBX (57 4) FAX (57 4) 317 Medellín - Colombia

20 1. Conceptos básicos Meteorología y Clima 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 Imagen de

21 1. Conceptos básicos Meteorología y Clima 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 From Breukelen et al., 2008

22 1. Conceptos básicos Meteorología y Clima 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 NOAA Huracán Mathew, Marzo 27, 2017

23 1. Conceptos básicos Meteorología y Clima 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 GOES13, tomada de

24 1. Conceptos básicos Meteorología y Clima 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 Nube lenticular en Rio Negro Inversión térmica en Medellín

25 Herramientas para la predicción - Cómo funciona un modelo meteorológico? Los modelos resuelven las siguientes ecuaciones asumiendo que la atmósfera es un medio continuo: Segunda ley de Newton Conservación de la masa Ecuación ideal de gases Primera ley de la termodinámica Conservación de trazadores químicos, incluyendo vapor de agua

26 Herramientas para la predicción - Cómo funciona un modelo meteorológico? Teniendo en cuenta la rotación de la tierra, su geometría, y un marco de referencia Euleriano

27 Herramientas para la predicción - Cómo funciona un modelo meteorológico? 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. Arakawa, 2004

28 Herramientas para la predicción - Cómo funciona un modelo meteorológico? Los procesos radiativos también son parametrizados, teniendo en cuenta la composición atmosférica, y sus efectos se incluyen mediante la primera ley de la termodinámica.