Contaminación Atmosférica e Hídrica en Argentina
ESTUDIO DE LA VARIACIÓN ESTACIONAL DE LA RADIACIÓN SOLAR GLOBAL VISIBLE Y EL IMPACTO DE LA COBERTURA NUBOSA EN BUENOS AIRES Vasquez, Pablo. M. 1 , Wolfram, Elian. 1,2 , Salvador, Jacobo. 1,3 , Masi, Sebastian. 1 , Repetto, Carla.2, Orte, Pablo.F. 1 , D'Elia, Raul. 2 , Quel, Eduardo. J 1 .
1*: Universidad Tecnológica Nacional, FRBA pmvasquez89@gmail.com 2*: Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones, CEILAP-UNIDEF (MINDEFCONICET), UMI-IFAECI-CNRS-3351, Villa Martelli, Argentina Juan B. de la Salle 4397, Villa Martelli, Buenos Aires e-mail: ewolfram@gmail.com, web: http://www.division-lidar.com.ar Medrano 951, CABA 3* UNPA, Unidad Académica Río Gallegos, Argentina
Resumen. La Estación de Sensado Remoto Pasivo (ESRP) de la División Lidar del CEILAP(Centro de Investigaciones en Rayos y Aplicaciones) en Villa Martelli (Pcia. de Buenos Aires) reúne un conjunto de radiómetros de banda ancha sensibles a la radiación solar visible, ultravioleta e infrarroja. Las mediciones que se realizan en la misma aportan datos para el estudio de la influencia de diferentes parámetros atmosféricos como las nubes y los aerosoles en la radiación solar que llega a la superficie de la Tierra en plano horizontal. En particular, la radiación solar de onda corta (300 nm-3000nm) representa el principal aporte de energía que recibe nuestro planeta, siendo el motor de todos los fenómenos atmosféricos. Es por ello que establecer y cuantificar los niveles de radiación solar es de suma importancia en los estudios ambientales. En este trabajo se cuantificó la variabilidad estacional del flujo solar global visible utilizando la base de datos (2009-2012) de los valores de irradiación medida de la ESRP(CEILAP ) y se estudió el impacto de la cobertura nubosa mediante la comparación de dichos valores con los entregados por modelos paramétricos de radiación. Esto permitió cuantificar los efectos de atenuación que se producen como influencia de la cobertura nubosa en el recurso solar diario. Promediando los valores anuales de atenuación sobre los cuatro años analizados se obtiene que la nubosidad provoca un 26% de atenuación en la Irradiación Global Diaria respecto del valor modelado, y que no presenta un comportamiento estacional definido. Palabras clave: Radiación visible, sensado remoto, cobertura nubosa. 1. INTRODUCCIÓN
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Vasquez, P M; Wolfram, E.
Cuando incide radiación solar (energía procedente del sol en forma de ondas electromagnéticas) sobre un plano, durante un tiempo determinado, puede hablarse entonces de que incidió una cierta cantidad de energía. Ésta energía, por unidad de área, recibe el nombre de Irradiación, J/m^2, y no es otra cosa que la integral de la irradiancia instantánea durante el periodo en cuestión (suele ser una hora o un día) La radiación solar global visible (300-1300nm) que arriba a la superficie del planeta desempeña un rol vital en el desarrollo del clima y los ecosistemas terrestres. Conocer y cuantificar la variabilidad estacional de este parámetro resulta de suma utilidad para diferentes estudios científicos y de impacto económico, ya que la radiación solar se presenta como una fuente de energía alternativa al uso de combustibles fósiles. Fuera del ciclo solar estacional, y para una dada latitud, las nubes son el principal modulador del recurso energético solar [1], para poder determinar el efecto de las nubes en la irradiación que llega a la superficie de la tierra se suele comparar los valores medidos con los entregados por modelos paramétricos de radiación. En diversos estudios se ha encontrado que los realces en la radiación son más pronunciados en situaciones de cielos parcialmente nublados y cuando el disco solar no está obstruido por la nube [1], siendo menor en la banda UV que en los intervalos visible e infrarrojo [2]. El entendimiento de los efectos que las nubes producen sobre la irradiancia solar global de onda corta que arriba a la superficie de la Tierra es de importancia crítica para una amplia variedad de estudios de balance radiativo en superficie. Por esto se analizan los efectos que las nubes tienen sobre la radiación solar visible utilizando mediciones en superficie del piranómetro instalado en la Estación de Sensado Remoto Pasivo del CITEDEF(Centro de Investigaciones Técnicas y Científicas para la Defensa), Villa Martelli, Buenos Aires. 2. METODOLOGÍA En este trabajo se cuantifica la variabilidad estacional de la Irradiación solar global visible utilizando la base de datos (2009-2012) del piranómetro ubicado en la ESRP de la División Lidar del CEILAP (Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones), Villa Martelli, Buenos Aires, y se estudia el impacto de la cobertura nubosa a través de la comparación de las mediciones con modelos paramétricos de radiación. 2.1. Mediciones A los instrumentos de medición de la radiación solar global, en el rango de longitudes de onda de 300nm a 3000nm, se los denomina piranómetro [3]. El piranómetro utilizado es un CM11 (Figura 1), equipo fabricado por Kipp & Zonen[4] cuyo rango espectral es de 285nm a 2800nm y su sensibilidad es de 7 a 14 uV/W/m^2.
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Figura 1. Piranómetro Kipp & Zonen CM11 ubicado en la división CEILAP del CITEDEF utilizado para realizar las mediciones de irradiancia instantánea en el rango de longitudes de onda de 300nm a 3000nm.
2.2. Modelos Paramétricos En muchas aplicaciones de la energía solar, debe determinarse la cantidad total de radiación incidente. Por lo tanto es necesario desarrollar métodos para calcular de forma rápida la energía que llega a la tierra, bajo parámetros atmosféricos específicos. Estos métodos se llaman Modelos Paramétricos. El modelo Paramétrico utilizado en este trabajo es el Modelo C de Iqbal [5]. El cálculo de la Irradiancia Normal Directa está dado por: I n 0.9751Eo I SC r o g w a
(1)
Donde: Factor 0.9751: factor de escala debido a que el intervalo del espectro incluido es de 300 a 3000 nm. I SC : Constante solar, 1367 [W/m^2];
Eo : Factor de corrección de excentricidad de la órbita terrestre (adimensional), está dado por: Eo 1, 00011 0, 03422 cos 0, 00128sin 0, 000719 cos 2 0, 000077 sin 2
(2)
Donde es el ángulo del día: 2 *(
N 1 ) 365
(3)
N es el numero del día del año, que van desde el 1 para el 1ro de Enero hasta el 365 para el 31 de Diciembre.
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r , o , g , w , a Transmitancias de dispersión de Rayleigh, Ozono, gas, agua y aerosoles (adimensional), cuya forma de cálculo es: 0,89 (1 ma ma 1,01)
r e 0,0903ma
o 1 [0,1611U 3 (139.48U 3 ) 0,3035 0, 002715U 3 (1 0, 044U 3 0, 0003U 32 ) 1 ] g e 0,0127 ma
0,26
(5) (6)
w 1 2, 4959U1[(1 79, 034U1 ) 0,6828 6,385U1 ]1
a e
(4)
0,873 0,7808 lao (1 loa lao ) m0,9108 a
(7) (8)
Donde ma (adimensional) es la masa de aire a la presión actual y mr (adimensional) es la masa de aire a una presión estándar (1013,25 mbar). Están relacionados mediante la ecuación:
p ma mr ( ) p: presión de aire local [mbar] 1013, 25
(9)
U 3 (cm) es la longitud del espesor óptico relativo de ozono bajo condiciones normales de presión y temperatura:: U 3 I oz mr
(10)
Donde I oz (cm) es el espesor vertical de la capa de ozono. U1 (cm) está dado por:
U1 wmr
(11)
Donde w (cm) es el espesor de vapor de agua precipitable reducido a la presión estándar (1013,25 mbar) y a la temperatura T de 273ºK: w es calculada de la siguiente manera: 3 p 273 12 w w' ( )4 ( ) 1013, 25 T
(12)
Donde w' es el espesor óptico de vapor de agua a la presión y temperatura indicada. lao (adimensional) es el espesor óptico de aerosoles: lao 0, 2758lao; | 0,38 m 0,35lao; | 0,5 m
(13)
Donde (um) es la longitud de onda. El componente del haz I b (W/m^2) está dado por:
I b cos z I n
4
(14)
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z (grados) es el ángulo cenital. La irradiancia difusa horizontal I d (W/m^2) a nivel de la tierra es una combinación de 3 componentes individuales correspondientes a la dispersión de Rayleigh Dr (W/m^2); la dispersión de por aerosoles Da (W/m^2); y el proceso de reflexión múltiple entre la tierra y el cielo Dm (W/m^2).
I d Dr Da Dm
(15)
Donde
Dr
0, 79 I SC sin o g w aa 0,5(1 r ) 1 ma m1,02 a
(16)
(grados) es la altitud solar y se relaciona con el ángulo cenital mediante la siguiente ecuación: cos z sin
(17)
aa (adimencional) es la transmitancia de la radiación directa debida a la absorción de aerosoles y está dada por: aa 1 (1 wo )(1 ma m1,06 a )(1 a )
(18)
Donde wo (adimensional) es la SSA (fracción del albedo simple de dispersión) de aerosoles, se suele usar un valor de 0,9
Da
0, 79 I SC sin o g w aa Fc (1 as ) 1 ma m1,02 a
(19)
Fc (adimensional) es la fracción de la dispersión total perteneciente a la dispersión directa y suele tomar un valor de 0,84; as (adimensional) es la fracción de la energía incidente transmitida antes de los efectos dispersivos de los aerosoles y está dado por as
Dm
a aa
( I n sin Dr Da ) g a 1 g a
(19)
(20)
Donde g (adimensional) es el albedo del suelo; a (adimensional) es el albedo de cielo despejado y puede ser calculado como a 0, 0685 (1 Fc )(1 as )
5
(21)
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Donde (1 Fc ) es la retrodispersión. Por consiguiente, el segundo término a la derecha de esta ecuación representa el albedo de cielos despejados debido a la presencia de aerosoles, mientras que el primer término representa el albedo del aire limpio. La irradiancia global (directa más difusa) I t (W/m^2) en una superficie horizontal puede escribirse como
1 I t I b I d ( I n cos z Dr Da )( ) 1 g a
(22)
En el presente trabajo se emplean como principales parámetros de entrada en el modelo el valor de la capa de ozono medio anual (300 DU), la presión atmosférica (1000 hPa), la temperatura de superficie (10ºC), la humedad relativa (50%), el albedo de la superficie terrestre (0.05) y los parámetros que describen la carga aerosólica, como el factor de turbidez (β=0.1), la dependencia espectral (α=1.3) y el valor del albedo de dispersión simple (ω=0.9). 2.3. Base de datos utilizada La Base de datos utilizada en el presente análisis comprende los valores medidos entre los años 2009 y 2012 por el piranómetro de la ESRP, ubicado en la División Lidar del Departamento de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones (DEILAP), del Centro de Investigaciones Científicas y Técnicas para la Defensa (CITEDEF). Las mediciones fueron archivadas por el Datalogger ubicado en ésta división, el cual guarda los datos de la siguiente manera: Promedia los valores medidos durante un minuto y guarda el resultado, luego genera un archivo por día, en cuyo encabezado indica, ubicación, fecha, el tipo de instrumento, la constante de adaptación y la amplificación del Datalogger para cada canal del mismo. Como todo instrumento de medición, el piranómetro, necesita ser desconectado por algún lapso de tiempo ya sea para su calibración, limpieza, o simplemente cambios de ubicación. Por lo anterior, sumado a cortes de electricidad dentro de la división o problemas con la computadora del Datalogger, es que se pierden días de mediciones. Se confeccionó una tabla (Tabla 1) con la cantidad de archivos diarios que se guardaron por mes que posee la base de datos, de esta manera se puede determinar el grado de representación de la realidad que tienen los valores medidos al hacer promedios mensuales o estacionales. 2009 2010 2011 2012
Ene. 27 25 29 19
Feb. 25 25 28 27
Mar. 31 31 31 30
Abr. 30 30 30 23
May. 29 31 31 29
Jun. 28 30 30 27
Jul. 28 31 31 31
Ago. 30 31 31 31
Sep. 24 30 28 30
Oct. 22 30 31 31
Nov. 24 29 30 25
Dic. 31 28 0 29
Tabla 1.Cantidad de archivos diarios guardados por mes en la base de datos de 2009, 2010, 2011 y 2012.
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En la Tabla.1 se puede apreciar los meses que no se consideran representativos de los valores de irradiación reales que llegan a la tierra. Se toma como representativo aquellos meses que tengan más del 80% de los días completos de mediciones. Por lo tanto son despreciables los meses de Octubre 2009, Diciembre 2011 y Enero 2012. 2.4 Análisis de los datos El procesamiento de los datos y la determinación de las variables de interés se realiza mediante la herramienta de cálculo para computadora, Matlab[6]. Se calcula la Irradiación Solar Global Diaria en kWh/m^2 (1kWh/m^2 = 3600 J/m^2) a través de la integración de los valores de irradiancia instantánea (W/m^2) medida a lo largo de un día. Esto arroja como resultado la cantidad de energía solar incidente sobre la superficie de la tierra para Buenos Aires en el espectro que va desde los 300nm a 3000nm de longitud de onda durante un día completo. Además re realiza el mismo procedimiento con los valores de irradiancia instantánea entregados por el modelo paramétrico. Con los datos diarios de la energía incidente medida y modelada se realiza un promedio mensual (Figura 3) y estacional, lo que permite contrastar los valores entregados por el modelo, para días completamente despejados, con los valores medidos. Dicha comparación pone en evidencia el efecto de las nubes en la Irradiación que llega a la tierra para la posición geográfica en estudio. Se realiza el cálculo de los factores representativos de la influencia de las nubes en la irradiación, para ello se utiliza el factor de atenuación (FA). Este factor es un número que va desde 0 hasta 1 y se calcula como el cociente entre el valor medido de la radiación solar global diaria sobre el valor modelado (supuesto día despejado) del mismo día: FA
Irrmedida Irrmod elada
(23)
Irrmedida :Irradiación medida, Irrmod elada : irradiación modelada 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Como ya mencionamos, las nubes tienes efectos tanto de atenuación, como de realce en los niveles de radiación que llegan a la superficie terrestre. En la Figura 2 se puede apreciar las mediciones del piranómetro para un día despejado, donde la curva modelada por el modelo paramétrico coincide casi en todos los puntos con las mediciones hechas por el instrumento.
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Figura 2.En línea negra se muestra la irradiancia instantánea medida por el piranómetro de la ESRP del CEILAP(CITEDEF) para el día 26 de Febrero del 2011, en línea punteada azul se aprecian los valores de irradiancia entregados por el modelo para el mismo día.
En la Figura 3 se ve claramente la influencia de las nubes en las mediciones durante un día nublado. Donde provoca una disminución del valor medido por el piranómetro en la mayoría de las mediciones, exceptuando aquellos puntos donde se produce un realce debido a la reflexión de las nubes.
Figura 3. En línea negra se muestra irradiancia instantánea medida por el piranómetro de la ESRP del CEILAP(CITEDEF)para el día 1 de Enero del 2011, en línea punteada azul se aprecia los valores de irradiancia entregados por el modelo para el mismo día.
En la Figura 4 se muestran los valores promedios mensuales de la irradiación solar global 8
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diaria (kWh/m^2) de los años 2009, 2010, 2011 y 2012 para Buenos Aires. Los mismos surgen de hacer el promedio mensual del resultado de la integración de las mediciones de irradiancia instantánea (W/m^2) durante todo el día. En dicha figura se puede apreciar la variación estacional de la irradiación media mensual medida, donde se aprecian los valores mínimos en invierno y máximos en verano, en acuerdo con el ciclo solar anual.
Figura 4. Promedio mensual de la irradicación Solar Global Diaria medida por el Piranómetro K&Z CM11 del CEILAP durante los años 2009, 2010, 2011 y 2012. Los valores se encuentran kWh/m^2 que equivale a 3600 kJ/m^2.
En la figura 5 se puede ver la comparación entre los valores promedios mensuales de irradiación solar global diaria calculados mediante la integral de la irradiancia instantánea medida por el piranómetro de la ESRP del CEILAP y la modelada para los mismos casos de estudio.
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Figura 5. Promedio mensual de la irradiación solar global diaria (kWh/m^2) medida y la modelada. Valores pertenecientes a Buenos Aires durante el año 2010.
Utilizando la ecuación (23) y los valores de irradación solar global diaria resultado de la integral de la irradiancia instantánea medida como de la modelada se calcula el FA (factor de atenuación) diario, a partir de los cuales se realiza un promedio anual, dando como resultado la influencia promedio de las nubes sobre la irradiación para cada año analizado. En la Tabla 2 se presentan los promedios anuales del factor de atenuación. AÑO
2009
2010
2011
2012
FA
0,7774
0,7459
0,7433
0,6904
Tabla 2. Promedio anual del FA para los años 2009, 2010, 2011 y 2012.
4. CONCLUCIONES En el presente trabajo se cuantificó la variabilidad estacional de la irradiación solar global visible utilizando la base de datos del piranómetro Kipp&Zonen CM11 (2009-2012) del CEILAP (Centro de Investigaciones en Láseres y Aplicaciones), ubicado en Villa Martelli, Buenos Aires. Se estudió el impacto de la cobertura nubosa a través de la comparación con modelos paramétricos de radiación solar global que permiten determinar la irradiancia solar en condiciones de cielo despejado. De la comparación entre el modelo y las mediciones se deduce claramente los efectos de atenuación que se producen como influencia de la cobertura nubosa. Promediando los valores anuales del FA sobre los cuatro años analizados se obtiene que la nubosidad provoca un 26% de atenuación en la Irradiación Global Diaria respecto del valor modelado, y que no presenta un comportamiento estacional definido.
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5. AGREDECIMIENTOS Los autores desean agradecer a la JICA (Agencia de cooperación del Japón); a la Secretaría de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la FRBA; al PID UTN (UTI 1895) por la financiación parcial de este trabajo. 6. REFERENCIAS [1] Cede, A., Blumthaler, M., Luccini, E., Piacentini, R., Nuñez, L., “Effects of clouds on erythemal and total irradiance as derived from data of the Argentine network”. Geophys. Res. Lett. 29 (24). (Año 2002). [2] Pfister, G., Mckenzie, R.L., Liley, J.B., Thomas, A., “Cloud coverage based on all-sky imaging and its impact on surface solar irradiance”. J. Appl. Meteorol. 42. (Año 2003) [3] ISO 9060. ‘Energía Solar – Especificaciones y clasificación de instrumentos para la medición de la Radiación Solar Directa y Hemisférica’. (Año 1990). [4] http://www.kippzonen.com [5] Wong L.T., Chow W.K., Solar Radiation Model. APPLIED ENERGY. Elsevier. (2001). [6] http://www.mathworks.com
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