Predicción a corto plazo del recurso solar en todo tipo de condiciones de cielo utilizando imágenes de satélite y cámara de cielo

Resumen

La dependencia de los combustibles fósiles para la generación de electricidad debe de ser reducida, por motivos de geopolítica y de impacto medioambiental. En el corto y medio plazo, la demanda de energía primaria se estima que aumentará en un 45% y la de electricidad en un 80% hasta el año 2030. Como resultado, la generación de gases de efecto invernadero se duplicaría para el 2050, a menos que se apliquen medidas sobre política energética para reducir la dependencia de los combustibles fósiles. La generación de electricidad a partir de fuentes renovables es una apuesta estratégica importante. En esta línea, el desarrollo de las plantas solares de concentración, incluyendo las de torre central, ha sido exponencial en estos últimos años, y nuestro país se encuentra en la primera línea del desarrollo de estas tecnologías. También, las plantas fotovoltaicas tienen una gran expansión de terreno produciendo electricidad, siendo uno de los sistemas que más produce en la actualidad. Por lo tanto, la generación de electricidad en plantas de energía solar concentrada y fotovoltaica se ha incrementado en las últimas décadas. En este tipo de plantas solares, la energía obtenida del sol y la posterior transformación de electricidad, está condicionada por la presencia de nubes. El mayor reto que se plantea con las grandes instalaciones solares es su integración en las redes de distribución de energía por su dependencia de patrones no-deterministas. Uno de los principales problemas para cumplir con la producción diaria estimada radica principalmente en los días con transitorios de radiación solar, debido a las nubes que sombrean el campo solar, y que generan inestabilidades en la integración de la electricidad producida, causando alteraciones en el mercado eléctrico. Hoy día las nubes son uno de efectos naturales más complejos del sistema atmosférico, por lo que su estudio, conocimiento y predicción resulta necesario a la hora de cuantificar la radiación solar que llega a la superficie terrestre. A lo largo de los últimos años, el estudio de la cobertura nubosa y de la influencia que ésta ejerce sobre la radiación que llega a la superficie terrestre está siendo abordado por el mundo científico y de investigación para poder establecer sistemas que puedan dar información con anticipación a diferentes fenómenos atmosféricos. Por tanto, se hace presente necesitar de una aplicación o herramienta que sea capaz de proporcionar información de tal calibre, siendo una la estimación y predicción del recurso solar a corto plazo, para poder dar información útil y valiosa de cómo va a variar el estado atmosférico en un corto plazo de tiempo, anticipándose a la generación que se producirá y también, contribuyendo con la prevención de daños en las instalaciones. Por tanto, a través de la presente memoria de tesis, se presenta una metodología para proporcionar información atmosférica futura, mediante el desarrollo de un sistema capaz de predecir las tres componentes de la radiación solar (directa, difusa y global) en el corto plazo (hasta tres horas) en todo tipo de condiciones del cielo. Para ello, esta predicción de radiación solar se efectúa en un intervalo horario, utilizando imágenes proporcionadas por el satélite Meteosat de Segunda Generación (MSG) y por una cámara de cielo modelo TSI-880. Para la consecución del proyecto de tesis presentado, se ha desarrollado de manera independiente la predicción de radiación solar directa, difusa y global con MSG y con TSI-880. La nubosidad con imágenes de satélite ha sido abordada a través de los canales espectrales de los que está compuesta cada imagen. Para poder tener constancia de cómo son las nubes y cuál es su desplazamiento, primeramente hay que tenerlas perfectamente definidas. Concretamente, los canales están divididos en el visible, infrarrojo y vapor de agua. A estos canales se les aplicarán diferentes técnicas de determinación de nubosidad. Estas técnicas consisten en la aplicación de diferentes test multiespectrales que determinarán si un píxel está cubierto o no por nubes. A su vez, gracias a los canales del infrarrojo, será posible obtener el gradiente de temperatura (temperatura de la nube) pudiendo, mediante esta información, determinar la altura del techo de la nube y poder así diferenciar varias capas de alturas de nubes. Una vez identificadas y definidas las diversas nubes presentes en la atmósfera, se obtendrán tres imágenes consecutivas (una cada quince minutos, como tiempo de recepción de una imagen de satélite) para estudiar el movimiento aparente de las nubes. Para ello, se aplicará el método de la correlación cruzada máxima que determinará, entre dos imágenes, un máximo en aquellos píxeles donde las dos imágenes se parezcan más, de tal modo que pueda definirse un vector de velocidad o movimiento de las nubes. Este vector definirá la dirección y sentido de las nubes, para hacer un desplazamiento de las nubes y ver si al cabo de un tiempo prudencial éstas sombrearán el emplazamiento estudiado. Tras esto, se define un modelo atmosférico que determina el estado de la atmósfera en cada momento, determinando la cantidad de radiación solar que es atenuada en ella, y por tanto, el valor que llega a la superficie terrestre. Una combinación de los vectores de movimiento de las nubes junto con la estimación de radiación solar efectuada para cada imagen, posibilitará la predicción de radiación solar directa, difusa y global en un intervalo de predicción de hasta tres horas. Las imágenes de cámara de cielo, por su parte, solamente disponen de tres canales, los propios del espacio de color RGB. Fundamentalmente, el proceso consiste en primer lugar en determinar las diferentes nubes que pueden aparecer en las imágenes. Para ello, se ha desarrollado un modelo de corrección de la saturación de píxeles en el área solar, así como una clasificación del tipo de cielo en función a parámetros radiométricos. Una vez obtenida la clasificación del cielo y la determinación del área solar, se aplicará un procesamiento digital de la imagen, basado en la clasificación, identificando las diferentes nubes que pueden aparecer en las imágenes de la cámara de cielo. Seguidamente, han sido aplicadas técnicas de tratamiento digital de la imagen, para estudiar varias imágenes consecutivas en el tiempo y poder determinar los movimientos representativos de las nubes. Estos movimientos definen los vectores de desplazamiento de las nubes, asignando a cada uno de los píxeles de la imagen un vector de movimiento correspondiente. En función a esto y a las nubes detectadas en las imágenes, los píxeles de la imagen serán desplazados, para comprobar si existe nube o no en el área solar una vez que se han aplicado los desplazamientos. Para la estimación de radiación, se ha desarrollado un modelo que estima las tres componentes de la radiación solar a nivel de píxeles, tratando la imagen en tres zonas diferentes según su proximidad al sol. Estas estimaciones han sido únicamente realizadas utilizando los niveles digitales de la imagen. Por último, los valores de la estimación de radiación de cada píxel serán desplazados de acuerdo a los movimientos dictados por las nubes, obteniendo la posición futura de las estimaciones y calculando así, cuánta radiación será recibida en la superficie terrestre en un futuro cercano.