Caracterización del recurso solar para el análisis de la producción de centrales termosolares

Resumen

En la presente Tesis se avanza en el estudio de las variables que deben tenerse en cuenta en la caracterización del recurso solar de un emplazamiento orientado a proyectos de centrales termosolares de concentración, y se presentan nuevas herramientas y procedimientos que facilitan su análisis. El estudio se ha realizado empleando una extensa base de datos de medidas radiométricas registradas en Sevilla, España. Esta base de datos ha sido revisada y etiquetada, aplicando procedimientos de control de calidad comúnmente conocidos. Para interpretar el etiquetado, localizar los errores y tratar de identificar el origen de los mismos, se presenta una nueva herramienta visual, compuesta por dos tipos de gráficas. Esta herramienta se basa principalmente en la representación de las etiquetas resultantes de aplicar el control de calidad para cada variable abarcando cualquier periodo de tiempo en una misma gráfica, independientemente de la frecuencia de registro de los datos. Con esta herramienta se facilita la identificación de errores que no pueden asociarse a la incertidumbre de las medidas y que, por tanto, deben eliminarse. Posteriormente, se ha corregido y completado la base de datos aplicando un procedimiento que propone una solución específica para cada variable radiométrica en función del instante del día en el que se produce el error, el tiempo de persistencia del mismo y el tipo de día en el que tiene lugar (claro, nuboso, cubierto). Una vez corregida y validada, esta extensa base de datos de valores registrados en su origen cada 5 s se analiza en diferentes escalas temporales. Teniendo en cuenta las escalas en las que la radiación solar se utiliza para evaluar la producción de las diferentes tecnologías solares, se caracterizan estadísticamente las series de valores instantáneos, diez-minutales, horarios, diarios, mensuales y anuales. El análisis de la base de datos de Sevilla en las menores escalas temporales muestra que las distribuciones estadísticas de los valores instantáneos y diez-minutales son semejantes entre sí, pero muy distintas de las de los valores horarios. Este resultado debe tenerse en cuenta a la hora de seleccionar la escala temporal adecuada en la simulación de centrales termosolares. El análisis de los valores diarios, mensuales y anuales identifica características del recurso útiles para el desarrollo de un proyecto de una central termosolar. Para completar la caracterización del recurso, se presenta una metodología para clasificar los días en función del estado del cielo a partir de las propiedades de la radiación que afectan a la operación y a la producción de las centrales termosolares. Esta metodología utiliza tres índices que representan tres propiedades de las curvas diarias de radiación directa normal (DNI): la variabilidad, la energía o radiación diaria acumulada y la distribución en el tiempo de esta energía. En la metodología, estas características son representadas a partir de índices. El número y las características de cada tipo de día se obtienen aplicando técnicas de clustering sin supervisión. Dos grupos diferentes de índices ({kb, VI, Fm} y {kb, POPD, Fm}) son evaluados mediante métodos de validación interna. Como resultado, el número óptimo de grupos obtenidos es 10 en ambos casos, aunque el grupo que incluye el índice VI obtiene una incertidumbre menor a la hora de encontrar el óptimo. Para validar los resultados obtenidos del clustering, se utilizan dos años de DNI clasificados por 5 expertos a partir de la visualización de sus curvas como la clasificación de referencia. De la comparativa entre las clasificaciones se concluye que el grupo VI tiene un mayor grado de coincidencia. Finalmente, se caracteriza la representatividad de los tipos de días identificados desde el punto de vista de la producción de una central termosolar de captadores cilindroparabólicos (CCP) con y sin almacenamiento a partir de un nuevo índice, el índice de producción relativa de cielo despejado. Este índice adimensionaliza los efectos estacionales de la producción permitiendo evaluar las características del recurso solar desde la perspectiva de la producción y comparar el nivel de aprovechamiento del recurso entre centrales con diferente configuración. Previamente a la caracterización de los tipos de días, se analiza la relación entre los índices de clasificación y el índice de producción relativa de ambas centrales. La variabilidad y la distribución en el tiempo de las curvas de DNI tienen una alta influencia en las centrales de tecnología CCP sin almacenamiento. Esta influencia disminuye considerablemente cuando la central cuenta con un sistema de almacenamiento térmico. De la caracterización del índice de producción relativa de cielo despejado de los tipos de días se concluye que el número de tipos de días respecto a la producción de las centrales puede optimizarse. Para el emplazamiento analizado, los 10 tipos de días identificados en la metodología de clasificación a partir de las propiedades de las curvas de DNI se reducen a 7 tipos de días desde el punto de vista de la producción de una central CCP sin almacenamiento, y a 6 tipos para una central con 7.5 h de almacenamiento térmico. La relación entre los tipos de días y el índice de producción relativa al cielo despejado tiene una aplicación directa para la definición de la estrategia de operación de una central y la predicción de la energía generada a partir de la predicción cualitativa del tipo de día.