En los sistemas fotovoltaicos se considera de vital importancia la evaluación de la eficiencia de la planta durante largos periodos con el objetivo de optimizar su rendimiento y maximizar su confiabilidad. La imposibilidad de adquirir en Cuba instrumentos medidores de la intensidad de la radiación solar para monitorear su desempeño, asà como las limitantes para su mantenimiento y calibración, impone la necesidad de estimarla a través del empleo de modelos numéricos. En el presente trabajo se realiza la evaluación del modelo WRF como alternativa para determinar el rendimiento de una instalación fotovoltaica a partir de la estimación de la intensidad de la radiación solar en condiciones de cielo despejado. Se emplearon como valores de referencia datos de intensidad de la radiación solar medidos durante marzo de 2014 por una celda calibrada. Para realizar los ajustes entre la intensidad de la radiación solar en el plano horizontal (EICelda) y energÃa solar de onda corta acumulada en una hora en la superficie a cielo despejado (EIWRFCS), se emplearon 5 muestras con diferentes condiciones de cercanÃa entre las variables. Dentro de los resultados obtenidos vemos que, es posible emplear el modelo WRF como alternativa teniendo en cuenta que entre las horas de sol a analizar exista una diferencia ≤ 150 Wh/m2.
In photovoltaic systems the evaluation of the efficiency of the plant during long periods is considered of vital importance in order to optimize their performance and maximize their reliability. The impossibility of acquiring in Cuba instruments to measure the intensity of solar radiation to monitor the performance photovoltaic systems, as well as the limitations for their maintenance and calibration imposes the need to estimate it through the use numerical models. In the present work, an assessment of the WRF model is carried out as an alternative to determine the performance of photovoltaic facilities, based on the estimation of the intensity of solar radiation under clear sky conditions. The solar radiation intensity data measured during the month of March 2014 by a calibrated cell is taken as a reference. 5 samples with different conditions of proximity between the variables were used to obtain fitted dependencies between the intensity of solar radiation in the horizontal plane (EICelda) and accumulated downwelling clear sky shortwave flux at bottom (EIWRFCS). It was obtained that it is possible to use the WRF model as an alternative, taking into account that there is a difference between the hours of sunshine to be analyzed difference ≤ 150 Wh/m2.
El desarrollo industrial y tecnológico alcanzado a partir de la segunda mitad del siglo XX ha provocado un aumento en la explotación de los combustibles fósiles, situación que se refleja en dos aspectos fundamentales: el agotamiento, antes de lo previsto, de los yacimientos, y el incremento de la contaminación ambiental debido a la emisión de grandes cantidades de gases de efecto invernadero y de contaminantes a la atmósfera.
El concepto de fuente de energÃa alternativa surge hace más de 40 años, como aquella que puede sustituir a las energÃas convencionales, ya sea debido al menor efecto contaminante y/o por la posibilidad de renovarse (
La producción de energÃa eléctrica por medio de sistemas fotovoltaicos se caracteriza por ser fluctuante ya que depende directamente de los cambios en la intensidad de la radiación solar. En estos se considera de vital importancia la evaluación de su eficiencia durante largos perÃodos con el objetivo de optimizar su rendimiento y maximizar su confiabilidad. Los estudios que se llevan a cabo con este fin se deben realizar bajo cielo despejado; condición ideal para el funcionamiento del generador fotovoltaico y de los equipos de medición de intensidad de la radiación (como piranómetros y celdas fotovoltaicas), los cuales son calibrados bajo este requerimiento (
La problemática de la carencia de datos suficientes de radiación y el uso de equipamientos costosos y especÃficos ha provocado que se hayan realizado numerosos intentos para estimarla a partir de formulaciones sencillas con base empÃrica o teórica (
En Cuba, el uso de modelos numéricos tiene particular importancia ya que las posibilidades de adquisición de instrumentos medidores de la intensidad de la radiación solar, su mantenimiento y calibración son limitadas. Al cierre de mayo del 2019, el paÃs contaba con 65 parques fotovoltaicos instalados al Sistema Electroenergético Nacional (SEN) en funcionamiento y 15 en proceso de terminación. Muy pocos cuentan con instrumentos con la calidad adecuada para la medición de la radiación global que permitan monitorear el rendimiento del parque.
El presente trabajo tiene como objetivo principal evaluar el empleo del modelo WRF como alternativa para determinar el rendimiento de una instalación fotovoltaica a partir de la estimación de la intensidad de la radiación solar en condiciones de cielo despejado.
Se seleccionó como área de estudio el polÃgono integral para el monitoreo y evaluación de paneles fotovoltaicos, ubicado en la azotea del Centro de Gestión de la Información y Desarrollo de la EnergÃa (CUBAENERGÃA). A partir de contar con el sistema de monitoreo se pudo determinar el coeficiente caracterÃstico del sistema fotovoltaico como:
Para la realización de este estudio se empleó también el modelo numérico WRF en su versión 3.9.1.1. con el núcleo dinámico ARW. Para las corridas se seleccionaron tres dominios anidados (
Los esquemas de parametrización utilizados se muestran en la
Parámetros fÃsicos
Esquemas utilizados
Thompson aerosol - aware
Yonsei University scheme
RRTMG scheme
RRTMG shortwave
Noha Land Surface Model
MM5 similarity
Betts - Miller - Janjic schem
Para realizar las comparaciones entre las mediciones reales y estimadas por el modelo se utilizó la intensidad de la radiación solar incidente en el panel acumulada para cada hora, denominada EICelda; asà como las variables ACSWDNB (
Los datos recopilados pertenecen al mes de marzo de 2014 en un horario comprendido entre las 8:00 y las 19:00 horas.
Una vez que se tienen los datos de las tres variables para cada dÃa se compararon los valores de intensidad de la radiación solar acumulados en una hora teniendo en cuenta las siguientes condiciones:
Considerar como hora de sol aquellas en las que la variable EICelda ≥ 120 Wh/m2. Considerar las horas donde la variable EGenerada ≠0. Utilizar, para realización del ajuste, la variable EIWRFCS, la cual no tiene en cuenta la influencia de la nubosidad, condición requerida para la calibración de equipos medidores de intensidad de la radiación solar y evaluación del funcionamiento ideal de los sistemas fotovoltaicos.
Para realizar los ajustes entre EICelda y EIWRFCS se emplearon datas seleccionadas a partir de diferencias existentes entre ambas variables (
Data
Diferencias
Tamaño de la muestra
93 (25.6 %)
113 (31.2 %)
150 (41.4 %)
198 (54.7 %)
Todas las horas que cumplen la condición de horas de sol
296 (81.7 %)
A partir de estos datos se determinó para qué diferencia se obtiene el mejor ajuste para estimar la intensidad de la radiación solar acumulada en una hora bajo condiciones de cielo despejado a partir del empleo del WRF-ARW.
Para evaluar la calidad de los resultados obtenidos se realizó un análisis cuantitativo de los mismos a través de funciones estadÃsticas sencillas descritas por (
El resultado óptimo es aquel que consiga que los errores estadÃsticos tomen valor nulo y el coeficiente de correlación rP tome el valor de la unidad. Mientras más cerca estén los valores a los óptimos mayor será la exactitud del modelo empleado.
Los valores horarios acumulados de intensidad de la radiación solar estimados por el modelo (EIWRF y EIWRFCS) se comportan de manera similar a los medidos por la celda fotovoltaica los dÃas 1ro (
En cuanto a los valores acumulados en 24 horas, se encontró una variabilidad significativa en las estimaciones del modelo con respecto a la variable EIWRF, lo cual puede estar relacionado con las parametrizaciones escogidas que resultaron adecuadas para estimar los dÃas de cielo despejado y presentaron grandes inexactitudes para los dÃas con generación de nubes. La variable EIWRF se comporta de manera similar a EICelda solamente los dÃas 8, 9 y 14 de marzo; mientras que EIWRFCS muestra similitud los dÃas 1ro, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 17, 24, 28, 29 y 30. En la
Por tanto, para determinar el desempeño de un sistema fotovoltaico a partir del modelo WRF- ARW se debe utilizar la variable EIWRFCS donde no hay influencia de la nubosidad.
Los resultados de los ajustes se muestran en la
En la
Data 1
Data 2
Data 3
Data 4
Data 5
-3.86
-7.92
-11.36
-3.24
100.86
5.75
6.93
8.05
10.80
45.54
33.04
41.39
56.26
79.03
212.87
0.99
0.99
0.98
0.95
0.75
93 (25.6 %)
113 (31.2 %)
150 (41.4 %)
198 (54.7 %)
296 (81.7 %)
Para determinar el ajuste más adecuado es necesario buscar un equilibrio entre la dispersión de los valores con respecto a la lÃnea de tendencia, el porciento que la muestra representa del total y el valor de los estadÃgrafos aplicados.
A partir de los resultados mostrados en la
Para determinar el rendimiento de un sistema fotovoltaico se verificó cuan cercanos son los valores del coeficiente caracterÃstico calculados según la ecuación 1 empleando como energÃa solar incidente los valores de EIWRFCS y EICelda, teniendo en cuenta las cinco datas definidas. Por último, se aplicaron los estadÃgrafos MBE y RMSE para verificar las diferencias entre ambas variables. Los resultados obtenidos se muestran en la
Acumulado Diario
Data 1
Data 2
Data 3
Data 4
Data 5
-0.89
0.05
0.10
0.12
0.04
-0.91
1.36
0.41
0.49
0.55
0.75
1.92
El menor valor de error medio (MBE) se obtiene para la data 4, que contempla más del 50% de todas las horas empleadas en el estudio; mientras que la data 1 muestra el menor valor del error cuadrático medio (RMSE), pero esta solo contempla el 25.6 % de todas las horas empleadas en el estudio.
La estimación de la intensidad de la radiación solar mediante el empleo del modelo WRF, con fines fotovoltaicos, tiene particular importancia en Cuba ya que las posibilidades de adquisición de instrumentos medidores, su mantenimiento y calibración es limitada.
Con este trabajo se ha demostrado la capacidad del modelo WRF como alternativa para evaluar el rendimiento de un sistema fotovoltaico a partir de la estimación de la intensidad de la radiación solar, para lo cual es necesario: la utilización de la variable