Contenido


  1. Resumen de la aplicación. Radiación en Málaga
  2. Uso de la aplicación
  3. Fundamentos científicos
  4. Cálculo de la posición del Sol en el cielo
  5. Modelos digitales de elevaciones
  6. Modelo de horizontes
  7. La atmósfera y las condiciones climatológicas
  8. Cálculo de la Insolación del territorio
  9. Ejemplo: Mapa de Insolación de Andalucía
  10. Sobre la visualización de resultados
  11. Conclusiones
  12. Referencias


Radiación solar estimada en el municipio de Málaga



La Agencia municipal de la Energía, gracias a la investigación realizada en la Universidad de Málaga, ofrece desde ahora, y a través de su portal Web, una nueva herramienta que permite conocer, con un nivel de detalle muy elevado, la cantidad de energía solar que puede ser captada en cada punto de nuestro municipio. Dicha información se suministra de dos formas diferentes, según el uso deseado para la información:

  • En primer lugar, la interfaz web ofrece la posibilidad de calcular la radiación solar (en dias claros o según la nubosidad prevista), recibida en un determinado punto del municipio y para cualquier periodo de tiempo. Dicha información tendrá en cuenta la orientación de la superficie receptora (un panel solar, por ejemplo). Por otra parte, se añade un control en la página web que permite el cálculo de la orientación óptima de un panel, en el lugar y período de tiempo elegido.
  • En segundo lugar, el portal da acceso a un atlas de radiación solar del municipio, constituido por 18 mapas de radiación, correspondientes a otros tantos períodos temporales Estos mapas se pueden consultar interactivamente con la ayuda de Google Earth.


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Sin embargo, lo realmente novedoso de esta herramienta no es solo su nivel de detalle (los datos se calculan con la extraordinaria precisión de un metro), sino también la incorporación de los datos de elevación de las edificaciones en los cálculos: algo que no se había tenido nunca en cuenta hasta la fecha, y en ningún lugar del mundo.

Para hacer posible esta realidad, un grupo de investigadores de la UMA, dirigido por los profesores Emilio L. Zapata y Luis F. Romero, han utilizado los diferentes subsistemas de información geográficas del municipio como plataforma experimental de un innovador algoritmo de cálculo de la Insolación potencial de un territorio que ha permitido la consulta interactiva de los datos de radiación a través de este portal.

Dicho algoritmo prácticamente reduce a la milésima parte el tiempo de cálculo de la radiación anual en un modelo con sombras. Para el caso particular del municipio de Málaga, la totalidad de los cálculos requeridos han requerido unos 17 días-CPU con la tecnología actual, lo que supone un importante avance respecto a los ¡¡¡46 años-CPU!!! requeridos por otros algoritmos. En este caso, y gracias al supercomputador PABLO de la UMA, hemos reducido el cálculo a apenas unas pocas horas, utilizando sólo un 10% de la potencia de la maquina.

Cabe resaltar que hasta la fecha sólo se habían publicado Atlas de Radiación Solar de precision muy inferior: de 1 a 3 km en el caso de los mapas empíricos, y de entre 100 y 300 metros, para los modelos informáticos. Dicho de una forma coloquial, generamos calidad Blu-Ray en pocas horas, mientras que hasta la fecha, se requerían días para producir una cinta VHS.

Estos videos muestran gráficamente el proceso de cálculo de la radiación solar, y la influencia de los edificios en la validez de los resultados:



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Los resultados científicos de este trabajo ha sido publicados en:

Computer Physics Communications (abril 2008)

International Journal of Geographical Information Science (aceptado)



Uso de la Aplicación Web



Básicamente, mediante esta herramienta se calcula la posición del Sol en el cielo desde una determinada posición del observador en un instante fijo o a lo largo de un periodo de tiempo. Si además conocemos detalladamente el relieve del territorio en el que está situado el observador, podremos calcular la intensidad y la energía con la que el Sol irradia el terreno o una placa solar situada en cualquier posición.

Aplicación


El proceso a seguir es el siguiente:
  1. Seleccionar con precisión el lugar donde se realizan los cáculos. Para ello, hay tres formas de acceder
    • Eligiendo uno de los lugares preseleccionados en el control 1. Esta opción es recomendable para una aproximación inicial
    • Rellenar el Cuadro 2 con el nombre de una calle y preferiblemente su código postal. En este cuadro también se puede indicar un lugar emblemático como Gibralfaro o Palacio de la Aduana
    • Usando el Plugin de Google Maps (y sus herramientas) que aparecen en la parte superior izquierda (Imagen 3). Es recomendable utilizar esta herramienta para seleccionar rl lugar exacto con el máximo nivel de Zoom
    Tras seleccionar la ubicación de forma precisa, la ventana celeste 4 debe mostrar el aspecto del cielo desde el punto de vista del observador, incluyendo el horizonte y la posición del Sol en el momento de la consulta.
    Nota: Una pequeña diana en la imagen indicaría el lugar del cielo al que estaría orientado un supuesto panel solar, con unos valores predeterminados.
  2. A continuación, el usuario debe elegir el período de tiempo del que necesita conocer la radiación solar. Para ello debe utilizar el control 5.
    Al elegir un valor, la ventana celeste 4 mostrará las zonas del cielo desde la que se recibe más radiación. El texto 6 indicará la Energía captada por un supuesto panel solar con la orientación predeterminada.
  3. Finalmente, el usuario podrá indicar las cxaracterísticas que tiene el panel solar:
    • Usando los controles 7 y 8 para determinar la posición del panel
    • Eligiendo una orientación óptima (botón 9) teniendo en cuenta el período de tiempo y las sombras que recibe
    • Indicando el grado de eficiencia energética (su capacidad para aprovechar la energía captada) usando el control 11
    • Estableciendo los parámetros de nubosidad estimada para el períiodo elegido, con el control 10
  4. El usuario puede, si lo desea, visualizar un mapa de radiación para el período elegido utilizando la aplicación Google Earth, con el control 12
  5. Finalmente, es posible delimitar una superficie polígonal en el mapa (3) y calcular la energía que se recibe. Para ello, se utiliza el control 13, según se describe en el anexo.


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Para medir la cantidad de energía que se recibe en una determinada superficie de Málaga, el procedimiento correcto es el siguiente:
  1. En primer lugar, seleccionar el control 13
  2. Dibujar en el mapa el políguno que rodea la superficie. Este polígono estará delimitado por un número indeterminado de vértices. Utilizar clicks del ratón para establecer los vertices del polígono
  3. Pulse el control Reiniciar si desea comenzar de nuevo
  4. Una vez delimitado el polígono, utilice el control Medir Polígono
Una vez finalizado el proceso, aparece en pantalla tanto la superficie del polígono, y en su caso, la energía recibida según las condiciones establecidas con el resto de controles.

Pulse Salir para abandonar la herramienta de medida de polígonos.




Fundamentos científicos de la aplicación



Cuando el Sol incide sobre un punto de observación, es necesario tener en consideración distintos aspectos que hacen del cálculo de la insolación un problema complejo:
  • La atmósfera filtra y refleja los rayos solares, impidiendo que toda su energía alcance el suelo. Además, se producen fenómenos de dispersión que afectan a la forma en la que la energía llega a la superficie. Normalmente se distingue entre radiación directa (que es la que alcanza la superficie sin sufrir ninguna desviación), y la radiación difusa, que llega a la superficie de forma indirecta, tras sufrir diferentes procesos de refracción, reabsorción y emisión. Esta última puede proceder desde cualquier punto de la esfera celeste, y es la que tiene un característico tono azulado. También procede del propio suelo, tras un proceso de absorción de la energía y remisión de la misma, conocido como albedo (calentamiento del suelo).
  • El relieve del territorio afecta al ángulo con el que los rayos solares inciden sobre el territorio, y en consecuencia, afectan a la capacidad de irradiación del mismo. Una parcela bien orientada al Sol recibe una mayor cantidad de radiación directa, y por tanto es capaz de recibir más energía que una parcela mal orientada.
    En algunos casos, es posible modificar las características del relieve para obtener un mayor aprovechamiento de la energía. Es lo que ocurre, por ejemplo, con el diseño de los edificios, que suelen buscar un uso óptimo de la energía. En el caso de las placas de Energía Solar, se diseñan para que el ángulo de incidencia sea muy bajo, es decir, que la placa esté siempre o preferentemente orientada al Sol, para obtener un alto rendimiento.
  • Auto-ocultación: El relieve del territorio también afecta al número de horas de Sol en el que se recibe radiación directa debido a que la propia parcela ( o la placa solar) puede ocultar el Sol (cuando el ángulo de incidencia es superior a 90º, es decir, que el Sol queda "detrás de la superficie"). En las parcelas perfectamente horizontales, la autoocultación coincide prácticamente con las horas en las que el Sol está bajo un hipotético horizonte perfecto.
    La radiación difusa también se ve afectada, ya que la fracción de la cúpula celeste visible es más reducida en parcelas inclinadas que en aquellas horizontales.
  • El relieve del terreno que rodea la parcela produce horas de sombra adicionales que reducen la energía directa y la difusa.

A diferencia de casi todos los modelos existentes en la literatura, el presente modelo incorpora todos los aspectos mencionados. Además, los pocos modelos completos que existen sólo son aplicables a territorios en los que el relieve tiene muy poca resolución, dado el elevado coste computacional, mientras que el algoritmo desarrollado es aplicable a grandes territorios de alta resolución, gracias a un importante cambio en la forma de orientar el problema frente a cualquier otro trabajo.
Son dos las grandes novedades de Insolator frente al resto de modelos:
  • Insolator sustituye el tradicional modelo de elevaciones por un modelo de horizontes, en el que no sólo se conoce la elevación de cada punto del territorio, sino también el horizonte visible desde cada punto.
  • Insolator no integra (acumula) la energía recibida en el tiempo, sino en el espacio. Este aspecto se describe con detalle en la sección 6.


Cálculo de la posición del Sol en el cielo



Las ecuaciones que rigen la posición del Sol y la Tierra en el espacio son tremendamente complicadas, ya que intervienen numerosas fuerzas gravitatorias e inerciales.

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Básicamente, la Tierra gira alrededor del Sol (traslación) describiendo una elipse, de forma que en enero la Tierra se encuentra mucho más próxima al Sol que en julio. Además, la presencia de la Luna y otros planetas intervienen de forma que esta elipse no sea perfecta. Por otra parte, la tierra gira sobre si misma (rotación) en un eje que no coincide con el de traslación, lo que hace que la posición del Sol respecto a un punto de la superficie de la Tierra se obtenga mediante la combinación de las ecuaciones que describen la rotación y la traslación. Como además el eje de rotación sufre un ligero desplazamiento con el paso de los años (movimientos de precesión y nutación), el resultado es que el sistema de ecuaciones que describen la posición del Sol respecto a un punto de la superficie sea de enorme complejidad, incluso sin considerar la influencia gravitatoria de otros cuerpos. El sistema de ecuaciones que hemos utilizado en este proyecto está basado en un modelo simplificado del movimiento del Sol realizado por Jean Meeus [1], combinado con los datos de almanaque publicados por el U.S. Naval Observatory [2]. Este sistema de ecuaciones permite conocer la posición del Sol con una precisión muy elevada, mucho más allá de las necesidades de este proyecto, y con un coste computacional muy bajo.

Calculo Sol

Figura 1. Cálculo de la posición del Sol.


Como ejemplo de cálculos, se adjunta una aplicación informática (insolator.exe), en la que se muestra un formulario en el que, en la parte superior, se permite la introducción de la posición del observador (por sus coordenadas de latitud y longitud, o sus coordenadas UTM) y el instante de tiempo en el que se realiza la observación. Los datos de posición (en el caso de que se utilicen coordenadas UTM) y de tiempo dependen de unos datos de configuración para la zona horaria del observador GMT y la zona UTM del mismo, que se establecen en la entrada de menú Configuration, submenú Zone. Por defecto, el parámetro GMT (y el uso del horario de invierno) se obtienen del propio Sistema Operativo. La zona UTM se preestablece con el valor 30, que es el de mayor prevalencia en España.
En la parte inferior del formulario se muestran inmediatamente los datos relativos de la posición del Sol, en coordenadas de Azimuth (ángulo de posición horizontal, medido desde el Norte geográfico, en sentido dextrógiro) y Elevación (ángulo vertical medido desde el horizonte).
Simultáneamente, se muestra gráficamente la posición del Sol en una imagen en la que el centro coincide con el Sur, y por los laterales se alcanza el Norte (pasando por el Este a la izquierda, y por el Oeste, a la derecha). La parte inferior del gráfico representa el horizonte, mientras que toda la línea superior representa el Zenit (un sólo punto en el cielo). Los datos de posición del Sol y observador se pueden guardar y almacenar, usando la opción file en el menú principal. A la derecha del formulario, se incorporan un botón principal Sun Positions que calcula la evolución (trayectoria relativa) del Sol en el cielo, a lo largo de un período de tiempo fijado. El período de tiempo se establece en el recuadro Mode, y puede ser un instante, un día, un mes, un año, o un período específico. En los cuatro primeros casos, se utiliza la información de tiempo del formulario principal, mientras que al marcar el modo específico (Custom), aparece un segundo formulario de tiempos que permite fijar el instante final del período.
El paso de cálculo (medido en minutos) se fija mediante un número en un campo específico bajo el recuadro Mode.

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Figura 2. Formulario principal. Cálculo de la posición del Sol en un año.


La Figura 2 muestra el resultado del cálculo de todas las posiciones para un año. Los tonos claros (blanco,amarillo) indican las zonas por las que el Sol ha pasado más veces, mientras que los tonos rojizos u oscuros indican las zonas por los que ha pasado menos veces. En azul permanece la zona del cielo por las que el Sol nunca ha pasado.
Además del botón Sun Positions, se han añadido botones adicionales que muestran evoluciones preestablecidas de cierto interés:
  • A: Analema: posición del Sol a los largo de todo un año, siempre en la misma hora del día.
  • H: Analemas horarios: posición del Sol a los largo de todo un año, siempre en las horas en punto de cada día.
  • D: Diario: posición del Sol cada 15 minutos en el día fijado.
  • P: Primavera: Evolución del Sol en primavera.
  • P: Verano: Evolución del Sol en verano.
  • P: Otoño: Evolución del Sol en otoño.
  • P: Invierno: Evolución del Sol en invierno.


  • Modelos digitales de elevaciones



    La segunda fase de cálculos incluye la carga y procesamiento de un Modelo Digital de Terreno (MDE). Este tipo de modelos describen un territorio mediante la definición de la altitud de puntos de muestreo dentro del territorio (discretización del suelo). La precisión de un MDE está determinada por el número de puntos de muestra por unidad de superficie, y suele oscilar entre 1 punto/km2 y 1 punto/1m2 (un dato de elevación cada metro lineal).

    MDE

    Figura 3. Modelo digital de elevaciones.


    Label
    El modelo informático elaborado en este proyecto es capaz de manipular modelos digitales en distintos formatos:
    • Ascii
    • Formato bil (descrito por tres ficheros)
    • Formato compressed bil (todos los ficheros bil en un sólo fichero zip)
    • Sun Raster File (hgt)
    • Formato propio (uma)


    Los modelos digitales de elevación sólo contienen datos numéricos que no pueden visualizarse directamente de forma gráfica sin la existencia de un mapa de colores.

    
    Figura 4: Formulario de modificación del mapa de colores en la aplicación informática. Un mapa de colores asocia un color a cada altura, y normalmente utiliza un conjunto de colores de referencia, que se distribuyen equitativamente en un rango de alturas. Los valores de color en los puntos intermedios se calculan por la interpolación en los tonos RGB.

    Para el nivel del mar, se puede optar por ignorar los datos de coloreado. Esto resulta especialmente útil para visualizar terrenos en los que la altura 0 no se corresponde con el nivel del mar, sino con la ausencia de datos:

    


    Figura 5: Transparencias en las zonas sin datos de elevaciones o elevación cero (nivel del mar).

    DEM

    Figura 6. Modelo digital de elevaciones. Efecto de iluminación.

    Esta es sólo una muestra de las multiples formas de visualizar y analizar un MDE. También es posible, mediante la opción Surface analysis, la visualización de un mapa de inclinaciones (show tilts) u orientaciones (show heads), de iluminación actual (show current), equivalente al resultado mostrado en la figura 6. 

    Figura 7. Modelo digital de elevaciones. Mapa de inclinaciones.
    

    Figura 8. Modelo digital de elevaciones. Mapa de orientaciones.
    También es posible visualizar una animación (show light demo) del cambio de iluminación a lo largo de un hipotético día perfecto. El cálculo de la iluminación utiliza una fuente de iluminación hipotética que coincide con la posición del sol. La intensidad del color se atenúa en un factor proporcional al coseno del ángulo de incidencia, que se obtiene mediante las ecuaciones trigonométricas correspondientes al cálculo del producto escalar entre la posición de la fuente de luz y el vector normal a la superficie, según se muestra en la figura adjunta.


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    <a href="http://www.ac.uma.es/~felipe/1.avi">Click here to play</a>
    Animación 1. Iluminación de un MDE a lo largo de un día.


    Modelo de horizontes



    Uno de los elementos fundamentales de este proyecto, requerido para el cálculo de la Insolación ,es el modelo de horizontes correspondiente a un modelo del territorio. La aplicación incorpora una algoritmo, inicialmente desarrollado por J. Stewart [3], que ha sido optimizado para mejorar significativamente su rendimiento. Este modelo, cuya descripción es especialmente compleja, y fuera del ámbito de este documento, determina la elevación del horizonte visible desde cada punto del territorio, teniendo en cuenta el resto de elevaciones del terreno.

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    Para calcular el conjunto de horizontes (y almacenar el resultado en un formato específico, con la extensión .uma) utilizaremos la opción terrain/compute horizons del menú. La aplicación te pide el número de sectores en el que se va a dividir el horizonte (64, por defecto, lo que supone una precisión de unos 5º). Se inicia entonces un proceso, de cierto coste computacional, y tras el cuál dispondremos de un modelo mixto elevaciones+horizontes que podrá ser visualizado y utilizado para el posterior cálculo de la insolación.

    Al elegir un punto del mapa observaremos su horizonte, dibujado gráficamente en el mapa del cielo.
    Es importante tener en cuenta que el horizonte visible desde un punto está constituido en realidad por la suma saturada de tres horizontes distintos:
  • Horizonte producido por el propio terreno, o auto-ocultamiento, y que aparece en cualquier plano inclinado, que impida la visión de elementos situados tras el propio plano.
  • Horizonte debido al resto de elevaciones del propio DEM, excluido el punto de estudio.
  • Horizontes lejanos. Son aquellos debidos a elementos que no están en el propio modelo, sino en modelos anexos.


  • 

    Figura 9. Suma saturada de los tres horizontes: auto-ocultación, horizonte cercano y horizonte lejano.


    En este proyecto se ha elaborado una aplicación informática que permite calcular los horizontes lejanos utilizando modelos MDE anexos a un modelo determinado, y añadiendo un modelo de baja resolución para las cumbres más lejanas, en los que no se necesita alta densidad de punto, debido a la mayor distancia.

    Así, la aplicación permite calcular los horizontes con muy alta precisión hasta 1 kilómetro fuera del borde del MDE, con media precisión hasta 10 kilómetros, y con baja precisión para los datos situados entre 10 y 500 kilómetros. Más allá de esta distancia, la curvatura de la tierra hace imposible la visualización de cualquier elevación.

    Usando esta aplicación de consola se ha elaborado un mapa de horizontes para toda la comunidad autónoma de Andalucía, con 64 sectores de precisión en horizontes, y 10 metros de separación entre puntos. El volumen de datos generados es muy elevado (110 GB), pero el formato comprimido de los archivos de horizonte reduce a menos de 50GB la información almacenada en disco.

    Los datos de horizonte de Málaga se han calculado a resolución 1 metro, y en 360 sectores, lo que supone mayor precisión (1º), y similar volumen de datos.


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    Figura 10. Validación del modelo de horizontes. Imagen tomada desde El Palo, Málaga.

    En la Figura se muestra una comparación entre los resultados obtenidos mediante cálculos (a) y una imagen panorámica fotografiada (b) y procesada (c), en la que se pone de manifiesto la validez de los resultados. En la imagen se puede observar además que la alta eficiencia del algoritmo de cálculo del horizonte es el resultado de la discriminación entre lo que llamamos horizontes cercanos (en azul, de alto coste computacional) y horizontes lejanos (en rojo, menos precisos y costosos, debido a su menor influencia sobre los resultados).

    La atmósfera y las condiciones climatológicas



    Como se comenta más arriba, la atmósfera filtra y refleja los rayos solares, impidiendo que toda su energía alcance el suelo. Además, se producen fenómenos de dispersión que afectan a la forma en la que la energía llega a la superficie. Normalmente se distingue entre radiación directa (que es la que alcanza la superficie sin sufrir ninguna desviación), y la radiación difusa, que llega a la superficie de forma indirecta, tras sufrir diferentes procesos de refracción, reabsorción y emisión. Esta última puede proceder desde cualquier punto de la esfera celeste, y es la que tiene un característico tono azulado. También procede del propio suelo, tras un proceso de absorción de la energía y remisión de la misma, conocido como albedo (calentamiento del suelo).

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    Además, las condiciones meteorológicas de cada zona incorporan la presencia de humedad en el ambiente, ya sea en forma de bruma, nieblas, nube o lluvia, que afectan significativamente a la cantidad de radiación recibida. El modelo incorpora todos estos factores mediante la incorporación de un modelo anexo para la atmósfera en el que las condiciones meteorológicas se resumen en unos pocos parámetros mensuales para cada zona. Estos factores son:

  • Horas de sol anual (si se conocen los datos de años anteriores)
  • Alternativamente: pluviosidad (se utiliza para calcular el índice de días claros, en los lugares donde no hay medición de horas de sol)
  • Temperaturas máxima y mínima
  • Índice mensual de turbidez (Linke turbidity factor).
  • La aplicación permite cargar automáticamente los datos del terreno conectando con la base de datos SODA [5], que almacena esta información con una precisión muy alta para toda Europa.

    Meteo

    Figura 11. Formulario para el cálculo de las condiciones atmosféricas.


    Nuestro modelo realiza el cálculo de las condiciones meteorológicas necesarias para calcular la insolación, utilizando las correspondientes ecuaciones que definen:
  • La radiación directa, atenuada por una atmósfera con cierta turbidez.
  • Radiación difusa direccional, recibida desde las zonas del cielo próximas al Sol (halo solar).
  • Radiación difusa adireccional, recibida desde el resto de la bóveda celeste.
  • Radiación difusa direccional en el orto y el ocaso (radiación crepuscular).
  • Radiación difusa en zonas de sombra
  • Albedo
  • Con todos estos parámetros se obtiene un modelo muy fiel de la atmósfera, pero que en cualquier caso es susceptible de sufrir importantes variaciones anuales, dado el comportamiento caótico del clima del planeta.


    Cálculo de la Insolación del territorio



    Una vez establecido un MDE (con la correspondiente información meteorológica y de horizontes) la aplicación está preparada para realizar el cálculo de la insolación recibida en el período de tiempo para el que se han calculado las posiciones del Sol, con las restricciones correspondientes: las debidas a las condiciones atmosféricas establecidas, la precisión en el cálculo de horizontes, la precisión del modelo y el paso de tiempo fijado para el cálculo de la posición del Sol. Puede parecer que todas estas limitaciones de precisión hacen de éste (y cualquier otro modelo similar) un modelo impreciso. Sin embargo, todos estos factores son muy inferiores a las limitaciones que el propio clima nos impone con sus variaciones caóticas, por lo que el modelo alcanza en cualquier caso la máxima precisión posible.
    Una vez más, se indica que el conjunto de ecuaciones que determinan el cálculo de la energía recibida son demasiado complejas para el interés divulgativo de este documento. .
    Con estos valores, podremos calcular:
  • La energía recibida por una parcela solidaria al suelo
  • La energía recibida por una placa cuya orientación se establece en los controles head/tilt, y que preferentemente deben coincidir aproximadamente con los valores 180º (orientada al sur) e inclinación 90-latitud, para obtener un máximo aprovechamiento. El programa incorpora un control que permite calcular la orientación óptima para el periodo de irradiación establecido.
  • La energía recibida por una placa que se orienta siempre en la dirección del Sol. Este parámetro permite la medición de las horas de Sol de interés para placas direccionables, e incluso para conocer las horas de Sol real por motivos turísticos o medioambientales (p.e., para estudiar la radiación incidente sobre la vegetación).


  • Insolación

    Figura 12. Modelo de insolación para el mes de Marzo en un MDE.

    Tradicionalmente, el cálculo de la insolación se resuelve mediante la integración de la energía acumulada por una parcela en el período de tiempo fijado, es decir, para cada paso o escalón de tiempo se calcula cuál es la cantidad de energía recibida en ese lapso, y se acumula hasta obtener la energía total del período elegido (Figura 13 a).
    Nuestro modelo presenta una aproximación mucho más eficiente que se basa en calcular el número de veces en que el sol se encuentra en cada lugar de la boveda celeste (previamente discretizada en "ventanas") a lo largo del período de tiempo elegido. Cada celda celeste "recuerda" la energía acumulada por las veces en las que el Sol estuvo situado en ese lugar. De esa forma, la energía total es la suma de las energías recibidas de cada una de las ventanas celeste (Figura 13 b).
    Adicionalmente, se realiza una integración en elevación, de forma que finalmente cada celda guarda toda la energía recibida por las veces que el Sol estuvo allí o en algún lugar justo por encima (Figura 13 c). Así, el cálculo de la energía de insolación es una simple "integración" a lo largo de la curva del horizonte, recogiendo las energías de las celdas por las cruza el perfil de horizontes. Este aspecto se describe técnicamente en Apéndice 1: Algoritmo de Insolación

      
    Figura 13. (a) Modelo tradicional de Integración en el tiempo. (b) Mapa celeste de energía recibida de cada región. (c) Integración de la energía en elevación.

    Un ejemplo: Mapa de Insolación de Andalucía



    El algoritmo matemático en el que se basan los cálculos de este sitio web también se ha utilizado para la elaboración de un mapa de Insolación de alta precisión para la comunidad autonómica de Andalucía (en España). Como se comenta anteriormente, se ha calculado previamente un modelo de horizontes para toda la comunidad, lo que facilitó enormemente la elaboración del mapa de insolación.

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    Andalucía ha sido discretizada previamente en 5 mallas: 4 mallas imbricadas con parcelas de 20x20km (2000x2000 puntos) contienen sólo el modelo de elevaciones. La quinta malla (de 10x10 km y 1000x1000 puntos) es la que realmente contiene las parcelas con modelo de horizontes, y es la que puede ser utiliza para el cálculo de la insolación.
    La 5ª malla contiene 1332 parcelas, y el cálculo de la insolación de cualquiera de ellas requiere unos 30 segundos, independientemente del período de insolación (ya que esa es una de las características de esta aplicación). En consecuencia, en apenas 30 horas es posible obtener un mapa para un periodo de tiempo cualquiera (en un PC de sobremesa normal).

    Andalucía

    Figura 14. Modelo de horizontes de Andalucía

    Visualización de mapas de Radiación Solar



    Para la visualización de los mapas de radiación calculados, se realiza la proyección de los resultados sobre el programa Google Earth. Gracias a la adecuada conversión de las coordenadas UTM (proyectadas sobre el horizonte ED50, habitualmente utilizado en Europa) a los coordenadas geográficas en el elipsoide WGS84, y la correspondiente rotación de la parcela, se ha conseguido proyectar la parcela con extraordinaria exactitud.

    GE

    Figura 15. Proyección de un MDE sobre la superficie de la tierra, en Google Earth.

    Para ello, pulsaremos la opción Visualizar mapa de Radiación con Google Earth y la aplicación asignará un nombre de fichero para la imagen. Automáticamente calculará el fichero kml de descripción de lugares en Google Earth, y el propio navegador lanzará la aplicación y mostrará el resultado (si está instalada).
    Una vez dentro de Google Earth, podremos cambiar el grado de transparencia de la imagen para conocer la ubicación en el formato fotográfico del programa (Figura 16).

    GE

    Figura 16. Proyección de un modelo de insolación sobre la superficie de la tierra, en Google Earth.

    Gracias a ello, podremos conocer con gran exactitud la insolación de una parcela en la que estemos interesado, ubicándola adecuadamente con la ayuda del programa de Google.

    Conclusiones



    Con esta aplicación disponemos en Málaga de una potente herramienta que permite calcular con alta precisión el grado de insolación del municipio. La elevada eficiencia de los algoritmos que incorpora permite aplicar los cálculos a terrenos de grandes dimensiones (paises, continentes) con modelos de elevaciones de grado fino.
    Gracias a este proyecto, se ha elaborado un mapa de Insolación de Andalucía con una resolución 100 veces superior al de cualquier otro lugar del mundo con similares dimensiones, y un mapa de Insolación del municipio que incrementa en otro factor 100 la resolución[6].




    Referencias



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    [1]Jean Meeus, Astronomical Algorithms, Willmann-Bell Inc., 1999.
    [2]Astronomical Almanac, U.S. Naval Observatory, 2007.
    [3]Fast Horizon Computation at all Points of a Terrain with Visibility and Shading Applications. IEEE Trans. on Visualization and Computer Graphics, 1998.
    [4]MDE-10, Instituto de Cartografía de Andalucía, Junta de Andalucía, 2006
    [5]The SoDa Service for Knowledge in Solar Radiation. 2007.
    [6]S. Tabik, J.M. Vías, E.L. Zapata, L.F. Romero, Fast insolation model for large territories, Intl. Conf. on Computer Science, 2007


    Apéndice 1: Algoritmo Matemático de cálculo de la Insolación



    El algoritmo matemático implementado es el cálculo de la radiación solar está basado en una reformulación de las ecuaciones matemáticas que permiten...

    Como ejemplo, usando la aplicación Insolator en un PC con procesador intel Pentium Core 2 Duo, el cálculo de la insolación, considerando la climatología en un modelo de dimensiones 2000×2000 consume 25 segundos aproximadamente.

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    The computation of the global irradiation Ig on an inclined surface, a study of dependencies has been performed to design an appropriate data structures that optimize the memory usage of the implementation.
    The calculation of global direct solar radiation under clear sky on a given territory depends on the sun position (its altitude h0 and longitude A0), the atmospheric attenuation, represented by the Linke turbidity factor TLK and the characteristics of the intercepting surface (its inclination angle d, altitude gN, azimuth AN, elevation z and its horizon.
    According to the latest research conducted for ESRA project, the global irradiance can be expressed as the sum of the direct irradiance Bic and diffuse irradiance Dic [9]:


    Ig=Bic+Dic
    (1)

                                   = I0 ·e·( Idirect+F1 ·Idiffuse )

    where
    Idirect=Kb·cos(d)
    and
    F1=Tn(TLK)·Fd(h0)
    Being Tn a diffuse transmission function that depends only on the Linke turbidity factor TLK and Fd the diffuse solar altitude function that dependents only on the solar altitude h0 [4]. Kb is the proportion between irradiance and extraterrestrial solar irradiance on a horizontal surface, and it depends on h0, the number of the month m (this will be explained in more details below in this section) and the terrain elevation z. While, the diffuse radiation Idiffuse includes three components: Radiation in shadow Ii, sun elevation-dependent radiation Iii and sun position-dependent radiation Iiii, defined as below:


    Ii=F(gN)
    Iii=(1-Kb)··F(gN)
    Iiii= ì
    ï
    í
    ï
    î
    Kb · cos(d) / sin(h0)
        if h0 ³ 5.7°
    Kb· sin(gN) ·cos(ALN) / ( 0.1-0.008 h0 )
        if h0 < 5.7°
    where
    F(gN)=r(gN) ·(sin(gN)-gN ·cos(gN) - p·sin2(gN/2))·N
    r(gN)= (1+cos(gN) / 2
    N = ì
    ï
    í
    ï
    î
    0.00263-0.712 ·Kb -0.6883 ·K2b
         for sunlit surfaces
    0.25227
         surfaces in shadow
    where ALN=A0-AN.

    As shown, the formulation of F(gN) varies if the sun is above or below the horizon. Moreover, the component Iiii is different during the sunset and sunrise.
    By introducing the following boolean coefficients: lshad (1 if the sun is below the horizon, 0 otherwise) and ltwi (1 if the sun elevation is lower than 5.7º, 0 otherwise) ,Ig can be formulated as follows:


    Ig=I0 ·e·[ Id ·cos(d) ·{1+\cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0) } +F1·{ Ii+Iii +Itiii } ]
    (2)

    where
    Idirect=(1-lshad) ·Kb,Ii=lshad ·F(gN, lshad),Iii = (1-lshad) ·(1-Kb) ·F(gN, lshad),Itiii = (1-lshad) ·ltwi·Kb ·\cfrac sin(gN) ·cos(ALN)0.1-0.008 h0

    At a given instant, the radiation on the underlined surface can be represented as follows:

    Ig = I0 · end
    å
    t=ini 
    { Id ·cos(d) ·(1+ \cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0))+F1 ·Ii +F1 ·Iii +F1 ·Itiii } ·e·Dt
    (4)

    In most existing models, the insolation is computed using the above procedure for every terrain cell, which means that the computational cost is proportional to the time length and precision. In this work, an alternative integration method is proposed, which in addition to reduce substantially the computational cost it is almost independent on the irradiated time length and precision.
    Since 0 £ h0 £ 90° and 0 £ A0 £ 360°, our first simplification consists in constructing a celestial map of hemispherical shape that covers the considered surface. We discretize this map into Ns=90 ×360 windows along the angular coordinates, altitude and azimuth. It can be easily seen that expression 4 can be evaluated by grouping its terms in each window. In each group, we can accumulate the global energy received by the surface each time the sun is placed in that position in the sky. For a discretization window of 1 ×1 degree step, Ig can be expressed as:

    Ig = I0 ·åA0=0360º åh0=090º [ åk=1k=ni,j { ... }e·Dt ]

    where ni,j is the number of times the sun has passed from the window {i,j}. Although the radiation must be computed for every ground cell using the above formula, in many cases we can reuse calculations.
    In a first step, some approximations are going to be assumed. The first one is to consider that the atmosphere turbidity only depends slightly on time. That is, we can suppose that TLK only changes every month.

    Ig = I0 ·åA0=0360º {T1+T2+T3+T4+T5 } ·e·Dt

    T1=cos(gN) ·åh0=hor90º åm=112 ni,j ·sin(h0) ·Kb·(1+\cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0))
    T2=cos(ALN) ·sin(gN) ·åh0=hor90º åm=112 ni,j ·cos(h0) ·Kb·(1+\cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0))
    T3 = F(gN,1) ·åh0=0hor Fd(h0) åm=112 ni,j ·Tn(m)
    T4=åh0=hor90º ·åm=112 ni,j ·F(gN,0) ·F1 ·(1- kb)
    T5=sin(gN) ·cos(ALN) ·åh0=hor5.7 åm=112 ni,j ·\cfracF1 ·Kb0.1-0.008 ·h0

    where ltwi=ltwi(h0), F1=F1(h0,m,z), Kb=Kb(h0,m,z), ni,j=ni,j(h0,A0) and aLN is the difference between A0 and AN. The calculation of the three terms, T1, T2, T3, T4 and T5 is realized in three phases. In the first phase, while the sun trajectory is calculated, one can know for each specific time interval, the value of ni,j in each window. We obtain the following matrices:

    Arr1(z,A0,h0)=åm=112 ni,j ·sin(h0) ·Kb·(1+\cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0)) )
    Arr2(z,A0,h0)=åm=112 ni,j ·cos(h0) ·Kb·(1+\cfracF1 ·(1-ltwi)sin(h0)) )
    Arr3(A0,h0)=Fd(h0) ·åm=112 ni,j ·Tn(m)
    Arr4(z,A0,h0,m)=ni,j ·F1·(1- kb)
    Arr5(z,A0,h0)=åm=112 ni,j ·\cfracF1 ·Kb0.1-0.008 ·h0

    In this phase that is independent on the terrain, these data structures are calculated for all possible z. If the terrain is known, the calculation can be restricted to the altitude limits of the territory zmin and zmax. The computation in this phase depends on the period of insolation. However, even for very small steps, of 1 minute for instance, during one year, represents a very small fraction of the total calculation time, from 1 to 2 seconds. This makes the total cost of our algorithm independent on the period of insolation. When the terrain is known, we proceed to compute the following structures in the second phase:

    Arr1b(z,A0,hor)=åh0=hor90º Arr1(z,A0,h0)
    Arr2b(z,A0,hor)=åh0=hor90º Arr2(z,A0,h0)
    Arr3b(A0,hor) = Fd(h0åh0=0hor Arr3(A0,h0)
    Arr4b(z,gN,A0,hor)=åh0=hor90º F(gN,0) ·åm=112 Arr4(z,A0,h0,m),   "gN
    Arr5b(z,A0,hor)=åh0=hor5.7 Arr5(z,A0,h0)

    where hor is the horizon; more details about its calculation is presented in details in subsection.
    As these arrays are computed for all possible values of hor, A0, gN and z, the execution time of this phase only depends on the precision and the height limits zmin and zmax of the terrain. The z-dimension of the arrays depends on the height limits and on the height-step, 100 or 200 meters. Note that these arrays has been carefully dimensioned. Their sizes are small enough to be held in most main memories. The sizes are almost independent of the terrain dimensions and they ensure a fast computation of the global insolation. Some arrays may include an additional dimension to reduce computation, but its sizes will grow and they could be untractable in many systems. Otherwise, the last dimension (hor) can be easily eliminated, and both memory and computational speed will be reduced in a factor equal to the discretization step in h0. For a precision of one degree in arcs, and 5 height-steps equal to 200 meter, typical execution times takes about 8 seconds, and the memory usage is about 60MB. When the precision in the azimuth in degree is reduced to 2 or 4, both memory usage and runtime are reduced in the same factor and the result change slightly, we get a typical deviation of about 2 to 7 J/m2 in one year. Therefore, we choose a precision of azimuth equal to 2.
    Finally, the proposed insolation computation implementation can be summarized as follows:

    For   x=0,  gridx-1
        For   y=0,  gridy-1   /* Notice that AN and gN are known at this stage */
                 For   A0=0, 360°
                      val1+=arr1b
                      val2+=arr2b ·cos(aln)
                      val3+=arr3b
                      val4+=arr4b
                      val5+=arr5b ·cos(aln)
                 End   For
                 Rg=val1 ·sin(gN)+val2 ·cos(gN)+val3 ·F(gN)+val4+val5 ·sin(gN)
         End   For
    End   For
    The raster maps of monthly averages values of the Linke turbidity factor TLK have been constructed using SoDa global database (http://www.soda-is.com/eng/index.html). The global irradiation for real-sky conditions was calculated using the clear-sky radiation Ghc and the clear-sky index kc.
    For the European subcontinent, the climatologic database for 566 meteorological stations was available (source ESRA), comprising geographical position and monthly means of global Ghs, direct Bhs and diffuse Dhs irradiation on a horizontal surface. The clear-sky index kc in this case expresses the ratio between monthly averages of global irradiation for real-sky and computed clear-sky conditions. For each meteorological station, the kc was calculated using this equation:

    kc = Ghs / Ghc
    (5)




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