Revisión de modelos y procedimientos de estimación de atenuación atmosférica en centrales termosolares de torre

1 Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Revisión de Modelos y Procedimientos de Estimación de Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre Autor: Alicia Martínez Minchón Tutor: Manuel Antonio Silva Pérez Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 2 3 Trabajo Fin de Grado Grado en Ingeniería de la Energía Revisión de Modelos y Procedimientos de Estimación de Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre Autor: Alicia Martínez Minchón Tutor: Manuel A. Silva Pérez Profesor contratado doctor Dep. Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 4 5 Trabajo Fin de Grado: Revisión de Modelos y Procedimientos de Estimación de Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre Autor: Alicia Martínez Minchón Tutor: Manuel A. Silva Pérez El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 6 El Secretario del Tribunal 7 A mi madre, por enseñarme a soñar. 8 9 Agradecimientos Con la finalización de este trabajo se cierra la que creo que ha sido la etapa más importante de mi vida hasta ahora y me gustaría agradecer a todas las personas que han contribuído a mi crecimiento como persona estos últimos cuatro años. En primer lugar, y debo extenderme un poco más con ellos, a mi madre y Manolo, los días de agobio en los que nunca me ha faltado un abrazo, las llamadas de alegría al aprobar una asignatura, vuestro cariño incondicional día tras día, los zumos de naranja en las largas noches de estudio...Sin duda, sois los mejores padres que se podrían tener y todo esto es por vosotros. Al resto de mi familia, ellos han celebrado mis victorias como suyas y siempre han estado en mis derrotas. A Luis, mi mayor regalo de esta etapa, gracias por tanto sin esperar nada a cambio. A Cristina, porque lo hemos conseguido, hemos acabado y lo más importante, siempre juntas, como empezamos. A mis compañeros, mi gran familia, por enseñarme que entre integral y derivada siempre hay tiempo para una buena risa con amigos. Finalmente, a mi profesor y tutor, Manuel Silva que ha demostrado ser a parte de buen profesor, una excelente persona. Alicia Martínez Minchón Sevilla, 2017 16 4.2.8 Modelo P&V de Pitman and Vant-Hull 48 4.2.9 Modelo de transmitancia basado en DNI de Hanrieder et al. y Sengupta y Wagner 48 4.2.10 Modelo de AOD de Polo et ál. 50 5 Instrumentación 55 5.1 Sensor de visibilidad FS11 Vaisala 55 5.2 Transmisómetro LPV4 Optec 56 5.3 Fotómetro solar CIMEL CE318 57 5.3.1 Calibración 58 5.3.2 AERONET 58 5.4 Contador de partículas EDM164 Grimm 59 5.4.1 Calibración 59 5.5 Pirheliómetro CHP1 de Kipp & Zonen 60 5.5.1 Calibración 60 6 Efecto de la atenuación atmosférica en centrales de torre 63 6.1 Weinrebe 63 6.2 Sánchez y Romero 63 6.3 Schmitz 64 6.4 Goebele et ál. 64 6.5 Mustafa et ál. 64 6.6 Zhang et ál. 64 6.7 Cardemil et ál. 64 6.8 Liedke et ál. 65 6.9 Polo et ál. 65 6.10 Hanrieder 66 7 Conclusiones 69 Referencias 71 17 Índice de Figuras Figura 1.1.Central de torre CESA1 en PSA en condiciones de día claro (izquierda) y nublado (derecha) ...... 22 Figura 3.1. Espectro solar con las longitudes de onda correspondientes a cada franja. .................................... 25 Figura 3.2. Ángulo cenital solar. ............................................................................................................................. 27 Figura 3.3. Irraduancia solar en la parte superior de la atmósfera y en la superficie. ....................................... 28 Figura 3.4. Porcentaje de luz dispersada por la dispersión de Rayleigh en función de la longitud de onda. ... 29 Figura 4.1. Esquema del efecto de la atenuación atmosférica en las centrales de torre. .................................... 31 Figura 4.2. Esquema de los diferentes modelos y herramientas de simulación descritos anteriormente [22]. . 37 Figura 4.3. Transmitancia obtenida con modelos descritos en las Sec. 4.1. para el 18 de Agosto de 2013, 12:00 UTC en PSA, en función del salnt range [22] .............................................................................................. 38 Figura 4.4. Transmitancia para un slant range de 1 km ontenida con distintos modelos descritos en la Sec. 4.1. para un período de tiempo entre el 18 y 22 de agosto de 2013 en PSA. [22] ............................................... 39 Figura 4.5. Configuración del expderimento Swaihan. .......................................................................................... 40 Figura 4.6. Configuración del experimento Jebel Hafeet. ..................................................................................... 43 Figura 4.7. Atenuación a nivel de superficie en Ouarzazate para 500 nm y slant lange 1 km causada por moléculas de aire y partículas de aerosol. [25] ...................................................................................................... 44 Figura 4.8. Configuración de las cámaras digitales y el objetivo en el método de Ballestrín. ........................... 45 Figura 4.9. Comportamiento diario medio de T1km sin corregir medida con FS11 y LPV4 desde el 22/05/2013 hasta 22/05/2014 en PSA. ..................................................................................................................... 47 Figura 4.10. Comparación del método del contador de partículas con el conjunto de datos de referencia para PSA. ............................................................................................................................................................................ 48 Figura 4.11. Perfiles de altura de aerosol para PSA empleados para desarrollar TM1, TM2 y TM3. .............. 50 Figura 4.12. Evolución del parámetro de turbidez en tres estaciones AERONET diferentes. [32] .................... 51 Figura 4.13. Evolución del exponente de Angström en tres estaciones AERONET diferentes. [32] .................. 51 Figura 4.14. Atenuación atmosférica en función del slant range y la AM para dos casos de AOD. [32] ......... 52 18 Figura 5.1. Sensor de visibilidad FS11 Vaisala. ..................................................................................................... 56 Figura 5.2.Transmisómetro LPV4 Optec. A la izquierda, la unidad receptora y a la derecha,la unidad transmisora. ............................................................................................................................................................... 57 Figura 5.3. Fotómetro CIMEL C318. A la izquierda, con plataforma fija a la derecha, con plataforma temporal. .................................................................................................................................................................... 58 Figura 5.4. Contador de partículas EDM164 Grimm. A la derecha, un esquema del principio de funcionamiento del mismo. ....................................................................................................................................... 59 Figura 5.5.CHP1 de Kipp & Zonen sobre un seguidor solar en PSA. .................................................................. 60 Figura 7.1. Histograma de la distribución temporal de la publicación de los artículos. .................................... 69 19 Notación ABC Correción de absorción y banda ancha ABSORB Factor definido por usuario en ciertos modelos de transmitancia AERONET Aerosol Robotic Network AM Masa de aire AOD Espesor óptico de aerosol BLH Altura de la capa límite CAL Constante de calibración del LPV4 CIEMAT Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas CSP Energía termosolar de concentración DELSOL Herramienta de simulación DHI Irradiancia difusa DLR Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt e.V. DNI Irradiancia directa normal E Irradiancia ECMWF European Centre for Medium-Range Weather Forecasting EDM164 Environmental Dust Monitor 164 of Grimm FS11 Sensor de visibilidad de Vaisala GHI Irradiancia global horizontal H Elevación h Altura de la torre HFLCAL "Heliostat Field Layout CALculation" HR Humedad relativa L Radiancia L&H Leary & Hankins LED Diodo emisor de luz libRadtran Libreria para transferencia radiativa LPV4 Transmisómetro de Optec LUT look-up table 20 MAE Error absoluto medio MENA Middle East and North Africa MIRVAL Código de Leary & Hankins MOR Alcance óptico meteorológico n Número de partículas NASA National Aeronautics and Space Administration ND Densidad neutra NREL National Renewable Energy Laboratory OD Espesor óptico P&V Pitman & Vant-Hull pb Presión barométrica PHOTONS Photométrie pour le Traitement Opérationnel de Normalisation Satellitaire PSA Plataforma Solar de Almería PWV Vapor de agua precipitable RIMA Red Ibérica de Medida fotométrica de Aerosoles RMSD Desviación cuadrática RT Transferencia radiativa S&W Sengupta & Wagner SAA Ángulo azimutal solar SAM System Advisor Model SoFiA Solar Field Assessment for Central Receiver Systems SPRAY Herramienta de trazado de rayos STRAL Herramienta de trazado de rayos SVR Alcance visual oblicuo SZA Ángula cenital solar Tamb Temperatura ambiente TM Modelo de transmitancia UAE United Arab Emirates x slant range 𝛼𝐴𝑛𝑔 Exponente de Angström 𝛽𝑎 Coeficiente de absorción 𝛽𝐴𝑛𝑔 Coeficiente de turbiedad de Ångström 𝛽𝑒𝑥𝑡 Coeficiente de extinción 𝛽𝑠 Coeficiente de dispersión  Longitud de onda  Densidad 𝜏 Espesor óptico 𝜏𝑝 Espesor óptico de aerosol 𝜔0 Albedo de dispersión simple Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 21 1 INTRODUCCIÓN Según diferentes estudios, la energía solar de concentración (CSP), que se basa en la acumulación de calor para generar vapor y así impulsar una turbina para producir electricidad, puede contribuir de forma "sustancial" a las futuras necesidades energéticas. Este tipo de energía es importante para el mercado eléctrico de los países del sur de Europa y de la región de MENA (Norte de África y Oriente Medio) por la abundancia del recurso solar que presentan. También es una tecnología prometedora para otras regiones como India, Chile o Sudáfrica. El desarrollo de la tecnología CSP tiene como objetivo principal llegar a ser económicamente competitiva con la generación de electricidad mediante combustibles fósiles, siendo necesario superarlo para poder contribuir de forma representativa en la producción eléctrica futura. La ventaja principal frente a otras renovables como las plantas fotovoltaicas, es la posibilidad de incorporar almacenamiento de la energía térmica, característica que permite una mejor adaptación a las necesidades del mercado. Las plantas de CSP se deben diseñar y optimizar teniendo en cuenta las condiciones específicas del emplazamiento donde se implemente la misma. Esto es esencial en las regiones áridas debido a que las instalaciones se exponen a condiciones atmosféricas extremas. Una de las tecnologías CSP con más posibilidades es la de receptor central o comúnmente conocida como de torre. En las centrales de torre, un campo de heliostatos refleja la radiación solar y la concentra en el receptor situado en la parte superior de una torre, llegando a alcanzar altas temperaturas en la superficie del mismo. La irradiancia directa normal (DNI) es la parte de la radiación solar con importancia para las centrales de receptor central. Las regiones del "cinturón solar" tienen gran potencial para la tecnología mencionada debido a los altos recursos de DNI disponibles. En esta zona predominan las condiciones semiáridas o áridas, fuente principal de partículas de polvo mineral que, junto a las partículas de sal marina, contribuyen considerablemente al aerosol atmosférico. La atenuación atmosférica debida a aerosoles puede reducir la DNI hasta un 30%. La atenuación atmosférica presenta una fuerte dependencia con el lugar y el tiempo. En la siguiente figura se muestra la Plataforma Solar de Almería (PSA) en un día claro (izquierda) y nublado (derecha). En un día con buena visibilidad, la pérdida de energía por kilómetro será sólo un pequeño porcentaje, sin embargo, esta pérdida aumenta con un alto contenido de vapor de agua o aerosol en la atmósfera. Introducción Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 22 Figura 1.1.Central de torre CESA1 en PSA en condiciones de día claro (izquierda) y nublado (derecha) La variabilidad de la atenuación con el lugar y el tiempo podría ser un factor crítico para las centrales de torre. En los 100 metros más bajos de la atmósfera existe una alta densidad de partículas de aerosol, especialmente en las regiones áridas. En el caso de las plantas de una única torre, el tamaño del campo de heliostatos crece considerablemente y el slant range, que es la distancia que recorre la radiación solar que reflejan los heliostatos hacia la parte superior de la torre, puede llegar hasta a 2 km. Es por esto, que la atenuación de la radiación no puede ser despreciada y debe tenerse en cuenta durante el diseño de la planta, limitando la geometría y el tamaño del campo de heliostatos, así como en la evaluación del rendimiento de las mismas. En las centrales cilindroparabólicas, este efecto desempeña un papel menos importante debido a que las distancias entre el receptor y el concentrador puede ser despreciado en comparación con las de torre. Normalmente, las herramientas de ray-tracing y de optimización, consideran la atenuación sólo para condiciones atmosféricas estándar determinadas. La mayoría permiten la elección entre condiciones de día claro (p.ej. 10% de DNI para slant range de 1 km) o día nublado (25% de pérdida de DNI). Recientemente, se han mejorado algunas herramientas permitiendo a los usuarios definir la atenuación y así proporcionar un cálculo más preciso y algunas herramientas permiten la entrada de datos de atenuación dependientes del tiempo pero tales conjuntos de datos específicos generalmente no están disponibles para lugares de interés. Esto último es uno de los mayores desafíos de un proyecto de diseño de planta de torre ya que la información sobre la magnitud en los lugares de interés para la implantación de las mismas es limitada. Disponer de series temporales de atenuación supondría una gran ventaja a la hora de diseñar la planta y decidir entre la tecnología de receptor central, cilindroparabólica o fresnel. Los lugares que presenten una alta atenuación promedio, podrían ser mas adecuados para sistemas de receptor central con un campo de heliostatos de menos extensión o para plantas de canal cilindroparabólico. La estimación empírica del fenómeno de atenuación no es obvia. Existen algunas aproximaciones para determinar las pérdidas de DNI y la atenuación atmosférica en la capa más baja de la atmósfera. Sin embargo, la mayoría de modelos existentes suponen un coeficiente de extinción independiente del lugar y del tiempo o se requieren medidas adicionales del alcance óptico meteorológico (MOR) que normalmente no están disponibles. También existen instrumentos disponibles comercialmente y documentados para la medición de la transmisión. Estos instrumentos se utilizan frecuentemente en los aeropuertos para estimar la visibilidad atmosférica tomando mediciones a distancias de unos pocos metros y luego extrapolando a distancias mayores. Además, la fuente de luz de estos instrumentos es espectralmente muy diferente a la distribución solar y pensando en un montaje experimental, las largas distancias requeridas para una pérdida significativa de atenuación, la imposibilidad de lograr un heliostato idealmente plano y la incertidumbre de medición inherente de los dispositivos radiométricos hacen necesario el uso de modelos de transmisión atmosférica espectral. Los costes de una planta de energía se pueden reducir reduciendo la incertidumbre de la simulación de la atenuación ya que implica a su vez una reducción de los márgenes de riesgo en las previsiones de rendimiento de la planta. Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 23 2 OBJETIVOS Y METODOLOGÍA El objetivo principal de este trabajo es recopilar y compactar los diferentes estudios sobre los modelos y métodos de medida de atenuación atmosférica de la radiación reflejada en campos de heliostatos. El trabajo se divide en 7 capítulos. En el capítulo 3, se incluyen los fundamentos teóricos que sustentan las bases del fenómeno de atenuación, incluyendo definiciones que serán útiles para la comprensión de capítulos posteriores. El capítulo 4 es el cuerpo principal del trabajo, donde se describe el fenómeno de atenuación específicamente en las centrales de torre y se exponen los diferentes estudios que componen la revisión. Este capítulo se devide en dos partes bien diferenciadas. La primera, hace referencia a los distintos modelos y ecuciones desarrolladas que se incluyen en las distintas herramientas de simulación y en la segunda, se describen diferentes métodos experimentales llevados a cabo con el fin de describir la atenuación de forma que se pueda reflejar la dependencia con el lugar y el tiempo de la misma. Mucho de los métodos experimentales mencionados, hacen uso de instrumentos de medida in situ por lo que se ha creado el capítulo 5 para describir detallademente el funcionamiento de estos. Algunos autores han realizado estudios que investigan el efecto de la atenuación sobre el rendimiento energético o la eficiencia óptica de plantas específicas y estos se incluyen en el capítulo 6. Por último, en el capítulo 7 se presentan diversas conclusiones acerca de los temas tratados. En cuanto a la metodología, para la localización de los documentos bibliográficos se realizaron búsquedas en diferentes bases de datos como Science Direct, Scopus, Google Scholar y Research Gate mediante distintas palabras claves. La búsqueda se realizó en inglés ya que los artículos más relevantes del tema a abordar están redactados en este idioma. Posteriormente, se llevó a cabo una lectura superficial de los documentos obtenidos con el fin de descartar aquellos que no incluyeran contenido importante o que enfocaran el tema desde una perspectiva diferente a la que se busca en este trabajo. Por último, se realizó una lectura detallada de los documentos seleccionados y un trabajo de comprensión de los mismos antes de redactar. 24 Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 25 3 FUNDAMENTOS TEÓRICOS 3.1 Radiación y su interacción con la atmósfera La energía solar resulta del proceso de fusión nuclear que tiene lugar en el sol tratándose de la fuente principal de energía en la atmósfera ( la energía solar que llega a la superficie terrestre es 10000 veces mayor que la energía consumida actualmente por toda la humanidad [1]). La radiación es transferencia de energía por ondas electromagnéticas que no necesitan un medio material para propagrase, pueden atravesar el espacio interplanetario y llegar a la Tierra desde el Sol. La longitud de onda y la frecuencia de las ondas electromagnéticas, son importantes para determinar su energía, su visibilidad y su poder de penetración. El conjunto de todas las longitudes de onda se denomina espectro electromagnético y el conjunto de las longitudes de onda emitidas por el sol, espectro solar. El espectro de radiación solar oscila aproximadamente entre 250 y 4000 nm y las franjas más relevantes del mismo son la radiación ultravioleta (7%), con longitudes de onda inferiores a 400 nm, la parte visible (43%), entre 400 y 760 nm, y la infrarroja(49%), superior a 760 nm. Figura 3.1. Espectro solar con las longitudes de onda correspondientes a cada franja. La radiación viaja a través de la atmósfera e interfiere con moléculas de aire (nitrógeno, oxígeno, vapor de agua) y partículas (partículas de aerosol o gotas de agua) con lo que esta se absorbe y se dispersa. Para caracterizar la dirección de propagación de un fotón, se emplea un sistema de coordenadas esféricas que describe la distancia radial desde el centro del sistema de coordenadas mediante el ángulo cenital solar (SZA) () y el ángulo azimutal solar (SAA) (). Las principales magnitudes radiométricas son la radiancia (L) [𝑊·𝑚−2·𝑠𝑟−1], que se define como la cantidad de energía radiante que atraviesa un área diferencial en una dirección particular siguiendo un ángulo Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 32 4.1 Atenuación atmosférica en herramientas de simulación Cuando se realizan simulaciones de una planta de receptor central, el principal punto de interés es el coste de la energía producida y cómo podrían minimizarse. Dos de los parámetros más relevantes en los cálculos del rendimiento son la geometría del campo de colectores y qué parte de la potencia total reflejada llega finalmente al receptor [5]. La irradiancia solar concentrada se puede simular empleando códigos de trazado de rayos (p. ej. MIRVAL [6], SolTRACE [7], STRAL [8] o SPRAY [9]), que se basan principalmente en métodos estadísticos o el método de Monte Carlo para calcular la trayectoria del rayo desde el colector hasta el receptor. Al aumentar el número de rayos lanzados, aumentan el tiempo computacional y la precisión de los resultados. Los métodos de convolución (p. ej. DELSOL [10] o HFLCAL [11]) obtienen la distribución de la densidad de flujo en el receptor de forma analítica utilizando entre otros métodos la óptica de conos. Hasta ahora, la mayoría de las herramientas de trazado de rayos y de optimización para centrales de torre modelan la atenuación atmosférica para condiciones atmosféricas estándar. Algunas permiten elegir entre diferentes niveles de atenuación, en otras como SolTRACE [7] no se tiene en cuenta de forma directa sino a través del ajuste de la reflectividad de los espejos, aproximación que no describe de forma precisa la dependencia de la atenuación con el slant range. A continuación, se exponen una selección de conjuntos de datos disponibles, modelos y ecuaciones implementados en herramientas existentes. 4.1.1 Leary and Hankins (L&H) En 1978, Vittitoe y Biggs [12] generaron un conjunto de datos basados en cálculos con LOWTRAN3 e integraciones numéricas de datos de transmitancia espectral. El conjunto de datos se generó para distintas condiciones: dos elevaciones del lugar (619 m y 1524 m por encima del nivel del mar), dos atmósferas estándar diferentes y tres condiciones de aerosol (sin aerosol, cielo despejado (SVR = 23 km) y cielo brumoso (SVR = 5 km)), sin especificar el tipo de aerosol asumido. Los datos se obtuvieron para tres alturas de la torre (100 m, 300 m y 883 m) y cinco slant ranges hasta un máximo de 2 km. A partir del conjunto de datos se realizó un ajuste polinómico para definir el modelo L&H [6]. Existen varias versiones de este modelo en uso. A. Código MIRVAL El modelo L&H fue desarrollado originalmente por el Laboratorio Nacional de Sandia para ser incluído en este código [6] que es utilizado para comparar diseños de óptica de heliostato-receptor. El modelo describe la transmitancia con la siguiente ecuación polinómica: 𝑇𝑥, 𝑀𝐼𝑅𝑉𝐴𝐿 = 1 −𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝐵 (−1,97 ·10−8𝑥2+ 1,18 ·10−4𝑥+ 6,79 ·10−3) ( 11 ) Donde x se corresponde con el slant range en metros y ABSORB es un factor que puede ser definido por el usuario. Vittitoe y Biggs recomiendan en el manual de MIRVAL establecer un ABSORB de 1 para slant ranges de hasta 1 km, alturas del recptor de 100 a 300 m y una elevación del lugar de aproximadamente 600 m. Con esto se tendría un valor de MOR de 27,1 km. B. Código STRAL En el software STRAL [8] (desarrollado por el Centro Aeroespacial Alemán (DLR)), una forma de aproximar la atenuación atmosférica es aplicar el modelo L&H como se describe en la siguiente ecuación: Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 33 𝑇𝑥, 𝑆𝑇𝑅𝐴𝐿 = 0,99 + 1,97 ·10−8𝑥2−1,18 ·10−4𝑥 𝑥≤1𝑘𝑚 𝑒𝑥𝑝 −0,00011𝑥 ( 12 ) Donde x se introduce en metros. En la ecuación, el factor ABSORB del código MIRVAL se establece en 1 para slant ranges menores o iguales a 1 km y se considera una disminución exponencial para distancias mayores a este valor. STRAL también permite introducir una relación de transmitancia definida por el usuario. C. Código SPRAY La herramienta de trazado de rayos SPRAY [9] se desarrolló para evaluar el rendimiento óptico de plantas de receptor central y se basa en el código MIRVAL [6]. Hasta ahora, la herramienta cuenta con seis opciones para aproximar la atenuación atmosférica entre el campo de heliostatos y el receptor: 1. Se desprecia la atenuación atmosférica. 2. El modelo L&H se modifica ligeramente para hacer coincidir un valor de transmitancia igual a 1 para un slant range de 0 m. El valor del factor ABSORB es 1 por defecto pero el usuario puede modificarlo. 𝑇𝑥, 𝑆𝑃𝑅𝐴𝑌 = 1−𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝐵(−1,97 ·10−8𝑥2−1,24 ·10−4𝑥) 𝑥≤1𝑘𝑚 1−𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝐵 1−𝑒𝑥𝑝 −0,00011𝑥 ( 13 ) 3. Ecuación del código STRAL. 4. Ecuación exponencial dependiente del slant range: 𝑇𝑥, 𝑆𝑃𝑅𝐴𝑌 𝑒𝑥𝑝 =𝑒𝑥𝑝 −𝐴𝐵𝑆𝑂𝑅𝐵·𝑥 ( 14 ) Donde x debe introducirse en metros. El factor ABSORB puede elegirse en función de las condiciones atmosféricas. 5. En SPRAY también se puede seleccionar condición atmosférica brumosa que se describe con la ecuación del modelo DELSOL3 enunciada más adelante. 6. El usuario también puede definir una relación de transmitancia dependiente del slant range. 4.1.2 Pitman and Vant-Hull (P&V) Pitman y Vant-Hull [13] desarrollaron un modelo de transmitancia para estimar la atenuación de la radiación solar que recorre la trayectoria desde el heliostato al receptor. Las ecuaciones del modelo se obtuvieron a partir de ajustes funcionales a los datos de Vittitoe y Biggs [12]. Dado que Vittitoe y Biggs eligieron dos condiciones atmosféricas estándar, tres modelos de aerosoles y dos elevaciones distintas para generar el conjunto de datos, sólo se podrían seleccionar 12 condiciones específicas para aproximar la atenuación si no se realizara el ajuste. Teniendo en cuenta además las tres alturas de torre y los cinco slant ranges , se dispondrían de 180 datos como base para los ajustes. En el modelo P&V se incluyen cinco variables físicas: densidad de vapor de agua atmosférico (), coeficiente de difusión de partículas de aerosol para una longitud de onda de 550 nm (𝛽𝑠,550), la elevación del lugar (H), la altura de la torre (h) y el slant range (x). El modelo P&V se obtiene a partir de un conjunto de ajustes usando estas variables, que pueden ser definidas por el usuario para adaptar mejor el modelo a las condiciones reales, y otras diez constantes fijadas. Los ajustes se desvían menos del 1% de los 180 datos obtenidos por Vittitoe y Biggs [13]. Los valores de las variables pueden obtenerse a partir de mediciones in situ de los parámetros meteorológicos y, por tanto, la atenuación puede determinarse de forma más específica para el lugar bajo estudio que con el resto de modelos expuestos hasta ahora. Es posible p.ej. aplicar la aproximación de Koschmieder para obtener el coeficiente de dispersión de partículas de aerosol para 550 nm a partir de mediciones del MOR con sensores de visibilidad o transmisómetros. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 34 A. Código HFLCAL En el código HFLCAL (Heliostat Field Layout CALculation), desarrollado por el DLR [11], existen varias posibilidades para incluir la atenuación atmosférica. La opción por defecto es la ecuación de STRAL pero pueden elegirse otras opciones, como despreciar dicho fenómeno, aplicar un valor definido por el usuario o utilizar el modelo P&V (incluyendo una entrada adicional de densidad de vapor de agua y coeficiente de difusión). B. Código Greenius El software Greenius (herramienta desarrollada por DLR) [14] es un entorno de simulación para calcular y analizar el rendimiento anual de proyectos de energía renovable. Resulta de gran utilidad para realizar simulaciones técnicas y económicas de plantas CSP. El campo solar, la geometría del receptor y sus datos de rendimiento se generaron a partir de HFLCAL por lo que la atenuación atmosférica se incluye de la misma forma que con dicho código. 4.1.3 Hottel Hottel [15] presentó un modelo para estimar la transmitancia para atmósferas estándar claras. El modelo depende de la elevación del lugar y las condiciones para dos visibilidades distintas (23 y 5 km) basadas en cálculos de LOWTRAN2. A. Código DELSOL3 Este software (desarrollado por Sandia National Laboratories) [10] se emplea para calcular el diseño óptimo del sistema y el rendimiento de las plantas de receptor central. Las ecuaciones modelo implementadas en DELSOL se desarrollaron para dos condiciones diferentes (despejado y brumoso) en Barstow, CA, USA y se apoyan en el conjunto de datos de Vittitoe y Biggs [12] y la publicación de Hottel [15]. Las ecuaciones resultantes son: 𝑇𝑥, 𝐷𝐸𝐿𝑆𝑂𝐿,𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 1 −0,01(0,67 +10,46𝑥−1,70𝑥2+ 0,28𝑥3) ( 15 ) 𝑇𝑥, 𝐷𝐸𝐿𝑆𝑂𝐿,𝑕𝑎𝑧𝑦 = 1 −0,01(1,29 +27,48𝑥−3,39𝑥2) ( 16 ) Con el slant range en m. Para el caso despejado resulta una atenuación de DNI del 10% para un slant range de 1 km (𝑇1 𝑘𝑚 = 0,9) mientras que en el caso nuboso la atenuación es del 25% ( 𝑇1 𝑘𝑚 = 0,75). Esto corresponde a valores de MOR de 29,3 km y 10,2 km, respectivamente. DELSOL3 también permite un nivel de atenuación definido por el usuario. B. SAM (System Advisor Model) La herramienta System Advisor Model (SAM) [16] desarrollada por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) está diseñada para simular el rendimiento y los costes financieros de las distintas tecnologías que forman parte del mercado de energía renovable. En SAM, la transmitancia puede incluirse a partir de un polinomio de tercer grado dependiente del slant range. Por defecto establece la ecuación para el caso despejado de DELSOL. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 35 C. Código HELIOS El "Programa de Computación para Modelar el Comportamiento Óptico de Concentradores Solares Reflejantes" de SANDIA que recibe el nombre de HELIOS basado en el conjunto de datos de Vittitoe y Biggs [17], ofrece la opción de elegir entre condiciones despejadas o brumosas para dos localizaciones diferentes: Barstow, CA, EE.UU. (610 m por encima del nivel del mar) y Albuquerque, NM, EE.UU. (1520 m por encima del nivel del mar): 𝑇𝑥, 𝐻𝐸𝐿𝐼𝑂𝑆,𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟,𝑏= 𝑒𝑥𝑝 −0,17𝑥 0,1 > 𝑥 1−0,01 0,68 +10,46𝑥−1,7𝑥2+ 0,29𝑥3 0,1 ≤𝑥< 2 ( 17 ) 𝑇𝑥, 𝐻𝐸𝐿𝐼𝑂𝑆,𝑕𝑎𝑧𝑦,𝑏= 𝑒𝑥𝑝 −0,41𝑥 0,1 > 𝑥 1−0,01 1,29 +27,48𝑥−3,39𝑥2 0,1 ≤𝑥< 2 ( 18 ) 𝑇𝑥, 𝐻𝐸𝐿𝐼𝑂𝑆,𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟,𝑎= 𝑒𝑥𝑝 −0,14𝑥 0,1 > 𝑥 1−0,01 0,81 + 6,04𝑥−0,5𝑥2 0,1 ≤𝑥< 2 ( 19 ) 𝑇𝑥, 𝐻𝐸𝐿𝐼𝑂𝑆,𝑕𝑎𝑧𝑦,𝑎= 𝑒𝑥𝑝 −0,23𝑥 0,1 > 𝑥 1−0,01 0,90 +13,80𝑥−1,18𝑥2 0,1 ≤𝑥< 2 ( 20 ) El slant range debe introducirse en km. El subíndice a hace referencia a Albuquerque y el b a Barstow. Las ecuaciones para el caso de Barstow son similares a las descritas en DELSOL3, por ese motivo se incluye en la Sec. 4.1.3, pero no se ha encontrado una conexión directa con el modelo Hottel. 4.1.4 Ballestrín and Marzo El modelo de Ballestrín y Marzo [18] se basa en simulaciones de transmitancia espectral realizadas con MODTRAN. Se simuló una central de torre a una elevación de 0 m por encima del nivel del mar durante la primavera-verano en un entorno rural. La temperatura ambiente, la presión barométrica y la altura de la torre se ajustaron a 15,15ºC, 1013,25 mbar y 100 m, respectivamente. Para simular la transmitancia espectral (en un rango de 300 a 2500 nm) para cinco slant ranges distintos (0,15; 0,5; 1; 2 y 4 km) y condiciones despejadas o brumosas (visibilidad de 23 y 5 km, respectivamente), se hizo uso de la base de datos de "Absorción molecular de Transmisión de Alta resolución" (HITRAN). Aquí, la visibilidad se refiere a SVR porque las simulaciones se han realizado con MODTRAN. Tras ajustar los resultados de las siulaciones, se obtienen las siguientes ecuaciones modelo: 𝑇𝑥, 𝐵𝑎𝑙𝑙𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛 ,𝑐𝑙𝑒𝑎𝑟 = 1 −0,01(0,30 +15,22𝑥−1,860𝑥2+ 0,15𝑥3) ( 21 ) 𝑇𝑥,𝐵𝑎𝑙𝑙𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖𝑛 ,𝑕𝑎𝑧𝑦 = 1 −0,01(0,78 +55,49𝑥−14,79𝑥2+ 1,54𝑥3) ( 22 ) Donde x se da en km. Ballestrín y Marzo [18] encontraron discrepancias entre las simulaciones realizadas y las ecuaciones del modelo DELSOL y MIRVAL. Sengupta y Wagner [19] señalan que las diferencias de las simulaciones MODTRAN surgen principalmente de las diferentes elevaciones para las que se realizaron las simulaciones: las simulaciones MODTRAN se han realizado para el nivel del mar mientras que las ecuaciones de DELSOL Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 36 y MIRVAL surgen de conjuntos de datos para una localización con un elevación cercana a 610 m sobre el nivel del mar (Bartow, CA, EE.UU.). Además, el código MIRVAL permite escalar la transmitancia según las condiciones atmosféricas locales con el factor ABSORB mientras que Ballestrín y Marzo asumieron que este valor era igual a 1 como se recomienda para slant ranges de hasta 1 km, alturas del receptor entre 100 y 300 m y una elevación aproximada de 600 m sobre el nivel del mar [6]. Por tanto, la conclusión de Ballestrín y Marzo de que los códigos DELSOL y MIRVAL son válidos sólo para condiciones atmosféricas específicas es correcta pero como las simulaciones MODTRAN no se han realizado para las condiciones correspondientes, la conclusión de que hay discrepancia es incorrecta. Las ecuaciones resultantes de este estudio se implementan en el código Tonatiuh [20], herramienta de trazado de rayos que se puede utilizar libremente para diseñar y analizar la eficiencia óptica y energética de las plantas de CSP. 4.1.5 Sengupta and Wagner (S&W) El modelo de Sengupta y Wagner [19] se basa en las mediciones de DNI en condiciones de cielo despejado para estimar el espesor óptico de aerosol (AOD) en las capas atmosféricas más bajas. La atenuación entre un heliostato y el receptor se estima a partir de dichas mediciones por lo que se trata de un modelo de interés para los operadores de planta debido a su única dependencia con la DNI, datos que normalmente están disponibles para las localizaciones bajo estudio. Se han realizado simulaciones para varias condiciones de atenuación con el fin de obtener un ajuste lineal para diferentes niveles de AOD. Las simulaciones permiten determinar la transmitancia a partir de la DNI de cielo despejado medido al nivel del suelo (DNImeans) y el DNI simulado para una atmósfera libre de aerosol a nivel del suelo (DNIsim). 𝑇𝑥, 𝑆&𝑊=𝑒𝑥𝑝 9,20 ·10−4𝑙𝑛 𝐷𝑁𝐼𝑚𝑒𝑎𝑛𝑠 𝐷𝑁𝐼𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛,𝑠𝑖𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝜃 −1,07 ·10−5 ·𝑥 (23) Donde  es el ángulo zenital solar y x se da en m. Por tanto, la transmitancia para un slant range dado se puede obtener a partir de las mediciones de DNI que normalmente están disponibles para el análisis de recursos de CSP. El método ya está implementado en una versión adaptada en la herramienta de simulación llamada SoFiA [21]. La siguiente figura muestra un esquema a modo de resumen de lo expuesto hasta ahora en este apartado. Los bloques de color verde son modelos y ecuaciones que sólo se derivan de simulaciones de transferencia radiativa, el bloque naranja incluye un modelo para el cual es necesario una entrada adicional de medición de DNI. En la fila inferior se muestran las distintas herramientas de simulación con una breve descripción de las opciones disponibles para describir la atenuación atmosférica. En morado se muestran las herramientas de trazado de rayos y en azul las de convolución. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 37 Figura 4.2. Esquema de los diferentes modelos y herramientas de simulación descritos anteriormente [22]. 4.1.6 Comparación de los modelos y ecuaciones [22] En la figura 4.3 se muestra la transmitancia para el día 18 de agosto de 2013, a las 12:00 UTC en función del slant range para los distintos modelos descritos. Las ecuaciones modelo para describir la atenuación atmosférica implementadas en DELSOL3, MIRVAL, STRAL, HFLCAL, la del caso despejado de SPRAY y las dos ecuaciones de Ballestrín y Marzo no son dependientes del tiempo. El modelo P&V se ha simulado para el 18 de agosto de 2013, a las 12:00 UTC en la Plataforma Solar de Almería (PSA). En el modelo, se incluyen las medidas adicionales de Tamb, pb y HR de la PSA y se establece una altura de torre de 215,48 m. La aproximación de Koschmieder se utiliza para convertir las mediciones del MOR realizadas con el sensor de visibilidad FS11 de Vaisala en el coeficiente de extinción. El modelo P&V se basa en la entrada del coeficiente de extinción de partículas de aerosol a 550 nm por lo que, al incluir las mediciones monocromáticas del FS11 (875 nm), se acepta un comportamiento similar del coeficiente de extinción para ambas longitudes de onda. La ecuación del modelo exponencial de SPRAY está dada para una transmitancia correspondiente a un slant range de 600 m calculada con la aproximación de Koschmieder y el MOR corregido obtenido con un FS11 para la misma fecha y hora en la PSA. Las mediciones de MOR del FS11 se basan en un principio de medición monocromática por lo que deben corregirse para el espectro integral o de lo contrario, sólo se podría obtener la transmitancia monocromática con el método exponencial de SPRAY. La ecuación del modelo MIRVAL, la de STRAL, la del modelo despejado de SPRAY, así como la del modelo despejado de DELSOL se desvían menos de 0,02 entre sí para slant ranges de hasta 1,5 km. Lo mismo ocurre Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 38 con la ecuación exponencial de SPRAY. El modelo P&V y el modelo S&W se desvían mas del 5% para la fecha bajo análisis. Las ecuaciones de Ballestrín y Marzo, así como las ecuaciones del modelo brumoso de DELSOL son modelos más pronunciados y resultan transmitancias mucho más bajas para todos los slant ranges . Figura 4.3. Transmitancia obtenida con modelos descritos en las Sec. 4.1. para el 18 de Agosto de 2013, 12:00 UTC en PSA, en función del salnt range [22] La figura 4.4 muestra las ecuaciones descritas para un período de tiempo entre el 18 y el 22 de agosto de 2013 con una resolución temporal de 10 minutos. La ecuación modelo por defecto en MIRVAL, STRAL, HFLCAL, así como el modelo despejado de SPRAY (con el factor ABSORB igual a 1), DELSOL· y Ballestrín y Marzo y las del modelo brumoso de DELSOL· y Ballestrín y Marzo son estáticas y no se pueden ajustar para la condición atmosférica temporal. Las ecuaciones modelo despejadas muestran una transmitancia para un slant range de 1 km (T1km) de alrededor de 0,90, excepto en el modelo claro de Ballestrín y Marzo que muestra un T1km de 0,86. La ecuación de modelo brumoso de DELSOL3 y SPRAY muestra una transmitancia constante de 0,75 mientras que la ecuación modelo brumoso de Ballestrín y Marzo es de 0,57. T1km en los modelos ajustables (modelo SPRAY exponencial, modelo S&W y modelo P&V) varía con el tiempo entre 0,7 y 0,96. Se puede observar que el modelo SPRAY exponencial en combinación con los datos del FS11 corregidos se encuentra la mayor parte de los intervalos por debajo del modelo P&V. Usando el modelo S&W, el T1km que se obtiene resulta mucho más pequeño que con los otros modelos ajustables. Esto puede explicarse ya que el modelo S&W se desarrolló para un sitio con una elevación más alta que la PSA (Golden, Colorado, USA a aproximadamente 1700 m en comparación con el PSA a 500 m por encima del nivel del mar). Por lo tanto, se simuló un DNI mayor para el caso de una atmósfera de aerosol durante el desarrollo del modelo. Esto da como resultado transmisiones más bajas para el DNI medido real en PSA. Los modelos ajustables indican que la condición atmosférica en PSA no se puede considerar constante. Las ecuaciones del modelo estático no son capaces de representar variaciones diurnas, mensuales o anuales que probablemente ocurren en la mayoría de lugares bajo estudio. T1km igual a 0.9 podría ser un valor adecuado Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 39 para representar la media anual pero esta suposición no es válida para todos los lugares. En los ejemplos se puede observar que las variaciones dependientes del lugar en la atenuación atmosférica sólo pueden considerarse correctamente si se emplean series temporales y no se asumen niveles de atenuación constantes. Tales series de tiempo de atenuación pueden obtenerse de la aplicación de Pitman y Vant-Hull y Sengupta y Wagner, así como de la ecuación del modelo exponencial de SPRAY, pero para aplicar estos modelos a un lugar y tiempo determinados, son necesarias medidas adicionales del coeficiente de extinción, el MOR y DNI. Figura 4.4. Transmitancia para un slant range de 1 km ontenida con distintos modelos descritos en la Sec. 4.1. para un período de tiempo entre el 18 y 22 de agosto de 2013 en PSA. [22] Cabe mencionar que en los modelos que se basan originalmente en el conjunto de datos de Vittitoe y Biggs, se asumió implícitamente un perfil exponencial de atenuación para la generación de las ecuaciones del modelo. Para el desarrollo del modelo de Ballestrín y Marzo, se han utilizado perfiles estándar de aerosol y atmósfera de MODTRAN. El modelo de Sengupta y Wagner asume un coeficiente de extinción constante en el primer kilómetro sobre el suelo. El modelo L&H y el modelo despejado y exponencial de SPRAY permiten la entrada del factor ABSORB que se supone homogéneo en todo el slant range. En todos los modelos, por lo tanto, es imposible incluir un perfil de atenuación dependiente del lugar y del tiempo que pueda ser interesante en grandes plantas CSP con torres de varios cientos de metros de altura. Hanrieder [22] demostró experimentalmente que la suposición de un perfil de atenuación constante con la altura era válida en los primeros 100 m sobre el suelo para obtener los promedios anuales en PSA. Esto es debido a la mezcla constante de la capa límite inferior. Sin embargo, este no es el caso para todos los sitios. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 40 4.2 Métodos experimentales para caracterizar y describir la atenuación atmosférica Para describir la dependencia de la atenuación atmosférica con el lugar, es crucial la generación de series temporales. Giuliano, S. [23] enunció que la atenuación horizontal en la capa límite inferior se puede determinar p.ej. con sensores de visibilidad o transmisómetros. Recientemente, se han realizado estudios e investigaciones para determinar las series temporales de atenuación atmosférica en la capa más baja de la átmosfera con el fin de mejorar las simulaciones de las centrales de receptor central. Estos estudios se resumen a continuación. 4.2.1 Experimento Swaihan de Tahboub et ál. En la configuración propuesta para el experimento [24], la radiación que llega a un heliostato se refleja de forma horizontal en dirección a cuatro plataformas en línea diseñadas para colocar un pirheliómetro portátil. Cerca del heliostato se coloca una estación radiométrica con un pirheliómetro de referencia y un transmisómetro para medir la DNI y la visibilidad. Estos datos se utilizan en un código de trazado de rayos para simular la propagación de la radiación desde el heliostato a las plataformas. La radiación del haz reflejado se mide a distintas distancias del heliostato (100, 400, 700 y 1000 m) con el priheliómetro portátil y los valores obtenidos se comparan con los simulados (suponiendo atenuación nula) pudiendo así determinar la atenuación. . Figura 4.5. Configuración del expderimento Swaihan. Por otra parte, la atenuación también se estima con un modelo analítico para contribuir a la verificación del experimento. Se propone una parametrización analítica de la propagación de la irradiancia directa en un cielo despejado para los primeros 100 m sobre el terreno. El objetivo es modelar la propagación de la irradiancia en todas las direcciones. Para analizar la dependencia de la dirección de la propagación de la irradiancia en la capa entre el suelo y 100 m se comparan (usando libRadtran) la atenuación de DNI para la misma distancia de propagación y distintos ángulos cenitales solares (SZA) y elevaciones entre 0 y 100 m. La variación que se obtiene es inferior al 1% por lo que se deduce que para una atmósfera dada, cualquiera que sea la dirección, la atenuación sólo depende de la distancia recorrida por la radiación (d1-d0) y de la visibilidad. Basándose en la comparación anterior, se supone una atmósfera homogénea en la capa 0-100 m. La visibilidad, que se obtiene del transmisómetro, se emplea en la ecuación para caracterizar el estado de la atmósfera. Se propone así una parametrización que estima la atenuación a partir de la visibilidad: 𝐷𝑁𝐼 𝑑1 =𝐷𝑁𝐼 𝑑0 ·𝑎−(𝑑1−𝑑0) ( 24 ) Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 41 Donde d0 y d1 se expresan en km. El parámetro a se ha obtenido empíricamente con simulaciones de libRadtran: 𝑎= 2 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑< 3 𝑘𝑚 𝑎= 1,55 3 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑< 6 𝑘𝑚 𝑎= 1,32 6 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑<11 𝑘𝑚 𝑎= 1,18 11 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑<20 𝑘𝑚 𝑎= 1,09 20 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑<40 𝑘𝑚 𝑎= 1,06 40 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑<70 𝑘𝑚 𝑎= 1,04 70 𝑘𝑚< 𝑣𝑖𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 ( 25 ) Para evaluar los resultados de la parametrización propuesta, los resultados se comparan con los obtenidos en libRadtran. Se aplica Monte-Carlo para seleccionar al azar 5000 conjuntos de datos definidos por el ángulo cenital solar (SZA) en un rango de 10º a 80º, la visibilidad en un rango de 2 a 100 km y la elevación (z) entre 10 y 100 m. La trayectoria de la radiación se define como: 𝑑=𝑧 𝑐𝑜𝑠 𝑆𝑍𝐴 ( 26 ) Por tanto, en estas comparaciones d es raramente superior a 0,5 km y sólo alcanza valores altos para grandes SZA que corresponde a bajos niveles de DNI. Para cada conjunto definido por SZA, visibilidad y z, libRatran calcula DNI para d0 (de referencia) y d1 (seleccionada aleatoriamente). El DNI para d0 y la visibilidad correspondiente se emplean para calcular DNI en d1 con la parametrización como se ha descrito anteriormente. Los resultados obtenidos son cercanos a los de libRadtran siendo el error absoluto medio (MAE) y la desviación cuadrática (RMSD) inferiores a 2 𝑊·𝑚−2. Sin embargo, estos valores empeoran cuando la distancia desde la referencia aumenta. Después de realizar el análisis preliminar de los datos recogidos con el método anterior, se encontró que las simulaciones estaban produciendo valores inferiores a las mediciones por diferentes razones como:  El seguimiento. El heliostato empleado en el experimento corrige su posición cuando la diferencia entre el ángulo de seguimiento real y el ideal es igual o superior a 0,05. En el código de trazado de rayos se utilizó la posición ideal para reducir el tiempo de cálculo. Para abordar este problema, se propone introducir la posición real del heliosto registrando el acimut y el cenit como entrada para el código.  Número de rayos y resolución del objetivo utilizado en el código. Ambos factores tienen efecto sobre los valores simulados y se está investigando la optimización de los mismos.  Convexidad del espejo. Se creen que varía con la temperatura y varía durante la realización del experimento. Sin embargo, en el código se introducen los datos obtenidos en el laboratorio a temperatura constante. 4.2.2 Experimento Jebel Hafeet de Tahboub et ál. Tahboub et ál. [24] han propuesto una configuración experimental en Jabal Hafeet para obtener y validar una relación entre la profundidad óptica atmosférica y el coeficiente de extinción en la capa inferior de la atmósfera. Jebel Hafeet es la montaña más alta de los Emiratos Árabes Unidos. En este experimento, cuatro pirheliómetros están situados a diferentes altitudes desde 340 m hasta más de 1000 m por encima del nivel del mar para registrar continuamente DNI con alta precisión (los pirheliómetros se limpian diariamente). Se obtiene una relación entre la profundidad óptica atmosférica y la atenuación. En la configuración, el Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 48 Figura 4.10. Comparación del método del contador de partículas con el conjunto de datos de referencia para PSA [27]. La diferencia media para las T1km obtenidas de ambos métodos representa aproximadamente un 0,0499. La mayor transmitancia obtenida con el EDM164 puede explicarse con la aproximación de las partículas muy pequeñas así como el desconocimiento sobre la mezcla de aerosol exacta. Se observa que ambos métodos se aproximan más para valores de T1km mayores por lo que se concluye que el método describe de forma adejuada los casos de atmósfera despejada. Los puntos más dispersos se pueden explicar por los distintos lugares y alturas de ambos sensores ( FS11 a 2,5 m y EDM164 a 1 m). Debido a las suposiciones que deben hacerse en relación con la mezcla de partículas de aerosol predominante y el perfil de altura de aerosol presente, el método no resulta lo suficientemente exacto. La incertidumbre absoluta del método aumenta con la disminución de T1km, siendo igual a 0,051 para valores de T1km iguales a 0,9 y llegando hasta 0,6 para T1km cercanos a 0. 4.2.8 Modelo P&V de Pitman and Vant-Hull Este modelo [13] puede usarse combinando medidas de sensores de visibilidad o transmisómetros para obtener datos de transmitancia en función del lugar y el tiempo. Hay que tener en cuenta que las variaciones temporales del espectro no están incluidas en el modelo y, por tanto, el sensor utilizado para obtener el coeficiente de dispersión debe elegirse cuidadosamente. 4.2.9 Modelo de transmitancia basado en DNI de Hanrieder et al. y Sengupta y Wagner Los métodos expuestos anteriormente por Hanrieder se basan en mediciones de MOR o distribuciones del tamaño de partículas. Ya que estos datos podrían no estar disponibles para cada lugar de interés, sería apropiado un método que se base en datos que están generalmente disponibles para los emplazamientos en los que se instalan las plantas CSP. Además, se evitarían los costes de instrumentación adicional. Sengupta y Wagner [19] presentaron el modelo S&W que se describe detalladamente en la Sec 4.1.5. Este modelo exige mediciones de DNI, así como información sobre la temperatura ambiente, presión barométrica y humedad relativa. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 49 A partir de este, Hanrieder presenta una versión mejorada [31]. Las mediciones de DNI dependen en gran medida de la concentración de partículas de aerosol así como del contenido de vapor de agua precipitable (PWV) en la atmósfera. El modelo S&W se desarrolló para un sólo nivel de PWV en un lugar específico mientras que en el modelo mejorado se consideran diferentes niveles de PWV, así como las variaciones del tipo de aerosol con la altura. El método se basa en cálculos de transferencia radiativa que deben realizarse específicamente para el lugar de interés, en este caso PSA. Como ya se ha descrito el modelo S&W se basa en la siguiente ecuación: 𝑇𝑥=𝑒𝑥𝑝 𝑎·𝑙𝑛 𝐷𝑁𝐼𝑚𝑒𝑎𝑠 𝐷𝑁𝐼𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛,𝑠𝑖𝑚 ·𝑐𝑜𝑠 𝜃 −𝑏 ·𝑥 ( 37 ) El slant range debe darse en m. Para ajustar el modelo de acuerdo con el PWV real in situ, se emplea una tabla look-up (LUT: Estructura de datos que contiene toda una serie de valores previamente calculados, a los que se accede sin la necesidad de realizar un cálculo adicional) para los parámetros a y b. Además, se implementan tres perfiles diferentes de altura y se proponen tres modelos distintos de transmitancia (TM1, TM2 y TM3). Los cálculos de RT se realizan aplicando las siguientes variaciones: PWV varía de 0 a 30 mm (10 mm de resolución) para los tres casos y diferentes AODs (0; 0,02; 0,04; 0,06; 0,08; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; y 1). El PWV de la columna atmosférica puede calcularse mediante la Tamb y la presión de saturación que se obtiene a su vez con la Tamb y HR. Para los cálculos de RT se aplican tres perfiles de altura de aerosol:  Perfil de atenuación constante: Todas las partículas de aerosol se encuentran homogéneamente mezcladas en una capa de 1 km de espesor sobre la superficie. Este es el perfil empleado por S&W. Es el perfilincluído en cálculos de RT para obtener TM1.  Perfil estándar: La distribución del aerosol con la altura se adopta del perfil estándar de Shettle. Es el utilizado para obtener TM2.  Perfil de LIVAS: Perfil de distribución de aerosoles para 532 nm que es proporcionado por la base de datos LIVAs presentada por Amiridis para PSA. Este perfil se modifica ligeramente para incluirlo en los cálculos de TM3. En la siguiente figura se muestran los perfiles ajustados al mismo AOD de 0,18 y un PWV de 23 mm para poder realizar una comparación equitativa. El perfil de atenuación constante y el estándar se representan para el 𝛽𝑒𝑥𝑡 de 500 nm mientras que el perfil LIVAS emplea 532 nm. En el caso del perfil LIVAS se observa una disminución repentina del coeficiente de extinción para una altura de 876 m pero se atribuye a errores sistemáticos por lo que se mantiene constante desde 876 m al nivel del suelo (perfil modificado LIVAS, empleado para TM3). Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 50 Figura 4.11. Perfiles de altura de aerosol para PSA empleados para desarrollar TM1, TM2 y TM3 [27]. Con las simulaciones de RT y los tres perfiles presentados, se producen tres modelos de transmitancia diferentes (TM1, TM2 y TM3) y sus correspondientes LUT. Con la ayuda de uno de los modelos, se puede calcular la transmitancia para un slant range con mediciones de DNI, HR, Tamb y pb para PSA. Las mediciones de DNI se realizan con el pirheliómetro CHP1 de Kipp y Zonen y para validar las TM desarrolladas se utilizó un conjunto de datos de 1 año a partir del 22/05/2013. Las mediciones de HR, Tamb y pb se toman con los sensores CS100 y CS215. La incertidumbre estimada del método varía alrededor de 0,04 para T1km igual a 0,9 y 1 minuto de resolución temporal. En el método se incluye una corrección lineal adicional para los niveles de turbidez, lo que mejora el rendimiento de los modelos. Hay que mencionar que para otros lugares con condiciones climatológicas diferentes, se recomienda obtener los parámetros del modelo para el lugar específico. 4.2.10 Modelo de AOD de Polo et ál. En el método de Polo et él. [32], se considera una distribución vertical homogénea de partículas de aerosol en los primeros 3 km por encima del suelo y que no hay presencia de partículas de aerosol por encima de dicha altura. Con esta hipótesis, se puede obtener el rango de variabilidad de la carga de aerosol atmosférico para las condiciones climatológicas de interés en la red AERONET. Se trata de una red de fotómetros solares que miden las propiedades ópticas de aerosol en más de 800 estaciones terrestres en todo el mundo. De AERONET se toman las medidas de AOD a 340, 380, 440, 500, 675, 870 y 1020 nm y se estiman los parámetros de turbidez () y el exponente de Angström () mediante: 𝐴𝑂𝐷  =  ·  −𝛼 ( 38 ) En la siguiente figura se muestra el promedio mensual de los parámetros de Angström obtenidos a partir del espesor óptico de aerosol (AOD) en tres estaciones AERONET de regiones de interés para CSP (RailroadValley, Jaipur y Tamanrasset) que oscilan entre atmósferas bastantes claras y nubosas. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 51 Figura 4.12. Evolución del parámetro de turbidez en tres estaciones AERONET diferentes. [32] Figura 4.13. Evolución del exponente de Angström en tres estaciones AERONET diferentes. [32] A partir de esta información, se seleccionaron cinco casos diferentes para las condiciones de carga de aerosol que cubren la mayor parte de las condiciones esperadas según la base de datos AERONET:  Caso #1: =0,03; =1,20; AOD(550 nm)=0,06  Caso #2: =0,06; =1,30; AOD(550 nm)=0,13  Caso #3: =0,20; =0,35; AOD(550 nm)=0,25  Caso #4: =0,30; =0,70; AOD(550 nm)=0,45  Caso #5: =0,60; =0,30; AOD(550 nm)=0,72 Así, los casos para analizar la variabilidad de la atenuación atmosférica en plantas de torre incluyen tres parámetros principales: slant range (12 valores entre 150 m y 3 km), AM (entre 1 y 4) y AOD para 550 nm. Atenuación atmosférica en campos de heliostatos campos de heliostatos Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 52 La validez de la suposición de homogeneidad vertical disminuye al aumentar el slant range. Sin embargo, en la práctica, el campo de heliostatos se distribuye en un radio menor de 1,5 km. Se calcularon las transmitancias espectrales con libRadtran para un ángulo cenital igual a 0 (Demostraron que los cálculos de transmitancia espectral para trayectorias oblicuas son equivalentes a la vertical con diferencias menores a un 1%) y alturas correspondientes a los slant ranges seleccionados introduciendo para cada caso los parámetros de Anströng obtenidos. Para obtener la transmitancia integral, se incluye la reflectancia espectral del heliostato medida en el laboratorio con un espectrofotómetro para posteriormente, a partir de esta, calcular la atenuación atmosférica. En la siguiente figura se muestran a modo de ejemplo la atenuación atmosférica obtenida en función del slant range y la AM para dos casos de los cinco seleccionados: Figura 4.14. Atenuación atmosférica en función del slant range y la AM para dos casos de AOD. [32] Las pérdidas por atenuación para un slant range de 1 km son inferiores al 5% para atmósferas limpias y alrededor del 20% en condiciones más desfavorables. La AM tiene poca influencia en la atenuación comparada con los otros dos parámetros y aumenta con el slant range. La pérdida por atenuación puede expresarse a partir de un polinomio de tercer orden en función del slant range: 𝑇𝑥, 𝑃𝑜𝑙𝑜= 1 −(𝑎𝑥3+𝑏𝑥2+𝑐𝑥+𝑑) ( 39 ) Para tener en cuenta los resultados de los cálculos expuestos anteriormente, se generaron polinomios para cada caso de AM y AOD, obteniendo un total de 25. Cada coeficiente puede ser representado también por un polinomio de tercer orden en función del AOD. 𝑎= 3,13 · 𝐴𝑂𝐷3−1,96 ·𝐴𝑂𝐷2+ 1,60 ·𝐴𝑂𝐷−0,133 𝑏= −14,74 ·𝐴𝑂𝐷3+ 2,49 ·𝐴𝑂𝐷2−11,85 ·𝐴𝑂𝐷−0,544 𝑐=28,32 · 𝐴𝑂𝐷3−7,57 ·𝐴𝑂𝐷2+48,74 ·𝐴𝑂𝐷−0,371 𝑑=−2,61 · 𝐴𝑂𝐷3+ 3,70 ·𝐴𝑂𝐷2−2,64 ·𝐴𝑂𝐷+ 0,179 (40) Donde x viene dado en km. 53 Medidas/Instrumentos Incertidumbre (T1km=0,9) Ecuación desarrollada Ventajas Desventajas Sawaihan Heliostato, pirheliómetro Alta No Medición de banda ancha Alta incertidumbre, alto coste y mantenimiento, mediciones en cortos plazos Jebel Hafeet Pirheliómetro - Si Perfil de altura parcialmente considerado Alto coste y mantenimiento, mediciones en cortos plazos Elias et ál. AOD, BLH - Si No son necesarias mediciones in situ si se toma la AOD desde satélite No validado hasta el momento, suposición sobre perfil de altura AOD Ballestrín et ál. Cámaras digitales - No Medición a lo largo del camino óptico heliostato-receptor Sólo descripción teórica, no validado FS11 Tamb, pb, HR, MOR (sensor visibilidad) 0,04 Si Bajo mantenimiento y coste, mediciones continuas, ideal para lugares aislados FS11 cubre volumen de aire pequeño, se necesita corrección ABC LPV4 Tamb, pb, HR, MOR (transmisómetro) 0,07 Si Mediciones continuas, menor incertidumbre a mayor distancia receptoremisor Mantenimiento diario, corrección ABC Contador de Partículas Tamb, pb, HR, contador de partículas 0,05 Si Mediciones continuas Alta incertidumbre para T1km baja P&V MOR, Tamb, pb, HR - Si Mediciones continuas No se considera variación del espectro solar con AM, AOD...Suposiciones de perfil de altura de AOD DNI DNI, Tamb, pb, HR 0,04 Si Bajo mantenimiento y coste, mediciones continuas, ideal para lugares aislados Suposición perfil altura AOD y composición de aerosol en RT Polo et ál. AOD - Si Bajo mantenimiento y coste, mediciones continuas Suposición perfil altura AOD y composición de aerosol en RT, mantenimiento semanal 54 Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 55 5 INSTRUMENTACIÓN Una forma de determinar la atenuación atmosférica es medir la relación entre la irradiancia incidente y la transmitida después de recorrer una trayectoria a través de la atmósfera [33]. Los transmisómetros miden directamente la transmitancia atmosférica entre dos puntos del espacio evaluando el coeficiente medio de extinción 𝛽𝑒𝑥𝑡 teniendo en cuenta tanto la dispersión como la absorción. El principio de funcionamiento se basa esencialmente en que el transmisómetro dirija un haz de luz colimado hacia un fotodetector de un receptor diseñado para únicamente recibir la luz que proviene de la fuente emisora. El coeficiente de extinción se determina a partir de la cantidad de luz perdida en el trayecto del emisor al receptor. Otro método empledo es el uso de sensores de visibilidad que determinan el MOR mediante la aproximación de Koschmieder [13]. El sensor mide la cantidad de luz dispersada por las partículas en suspensión y calcula el coeficiente de extinción para, a partir del mismo, calcular el alcance óptico meteorológico MOR. A continuación, se describen los principios de funcionamiento de los transmisómetros y sensores de visibilidad para el caso concreto del FS11 de Vaisala y LPV4 de Optec, respectivamente. En secciones anteriores, se han expuesto cuatro métodos para obtener la atenuación atmosférica a partir de mediciones, lo que permite introducir datos de atenuación dependientes del tiempo y el lugar en las herramientas de optimización de plantas. En los siguientes apartados, se describen los instrumentos que se emplean en los métodos anteriormente desarrollados, sus principios de funcionamiento y las especificaciones de los mismos. 5.1 Sensor de visibilidad FS11 Vaisala El sensor de visibilidad FS11 Vaisala [34] es un instrumento comercialmente disponible para medir el MOR. Consiste en un transmisor que lanza a través de un diodo emisor de luz (LED) un haz de luz infrarroja pulsada (con frecuencia de 2,2 kHz) con una longitud de onda pico de 875 nm. Una lente concentra el haz a un pequeño volumen de aire y un receptor detecta los fotones dispersados en un ángulo de dispersión (42º). Incorpora una función de fase de dispersión que transforma dispersión de la dirección del ángulo en un coeficiente de dispersión (𝛽𝑠 ). El sensor funciona basándose en la hipótesis de que la atenuación tiene lugar principalmente debido a la dispersión y que la absorción no tiene un papel relevante en dicho fenómeno. Para asumir esta aproximación, es necesario calibrar el sensor. Cada FS11 está calibrado a través de una cadena de referencia. La respuesta de dispersión del dispositivo de calibración puede trazarse claramente hasta un sensor de visibilidad de referencia FS11, que se encuentra en operación contínua en el campo de pruebas al aire libre de Vaisala junto a transmisómetros y otra instrumentación de referencia. El diseño "cabeza abajo" de las cabezas ópticas del receptor y del transmisor hace que los ejes ópticos de los Instrumentación Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 56 mismos estén ligeramente orientados hacia abajo para evitar la suciedad alta así como las gotas de lluvia y rocío en las ventanas de entrada. El sensor está previsto de salida de datos en serie RS-232 para la conexión sencilla y fiable a una amplia gama de sistemas de seguimiento y control. El FS11 incluye una nueva técnica de compensación de contaminación de la ventana asegurando una gran precisión con las mínimas necesidades de mantenimiento. El sistema monitorea la reflectancia total de la superficie de la ventana mediante un fotodiodo situado en la carcasa del transmisor y compensa automáticamente los errores de medición causados por la suciedad de la misma. El rango de medición del MOR cubre de 5 m a 75 km. Esto corresponde a una transmitancia para un slant range de 1 km (T1km) de 3 · 10−261 a 0,961. Figura 5.1. Sensor de visibilidad FS11 Vaisala. 5.2 Transmisómetro LPV4 Optec La versión 4 del transmisómetro de larga trayectoria de Optec (LPV4) [28] mide el coeficiente de extinción (𝛽𝑒𝑥𝑡) a partir de un transmisor y una unidad receptora, los cuales pueden situarse a una distancia de hasta 20 km. El transmisómetro está constituido por una lámpara LED pulsada con un espectro centrado en 532 nm ±10 nm (parte verde). La salida del LED se mantiene constante mediante un método de retroalimentación óptica en el que se utiliza un cuadrado de vidrio transparente en el haz principal para reflejar el 9% de la luz a un fotodiodo de silicio colacado en el lado. Delante del detector se coloca un filtro de banda estrecha con una longitud de onda central de 532 nm y un ancho de banda de 10 nm de forma que sólo esa longitud de onda se mide y se regula. El receptor consiste en un fotodiodo de silicio que mide la señal modulada del transmisor. Delante del fotodiodo se coloca un filtro similar al empleado para la retroalimentación en la unidad transmisora. La señal emitida desde el transmisor se amplifica ópticamente en la unidad receptora con una lente refractora. Tanto la lente como el cabezal del fotómetro están protegidos por un blindaje que garantiza una correcta alineación. Un filtro de densidad neutra (ND) con transmitancia 0,0156 se puede colocar en la unidad receptora para evitar la saturación si la trayectoria de trabajo es muy corta (menos de 3 km). Al medir el coeficiente de extinción espectral para 532 nm (𝛽𝑒𝑥𝑡, 𝐿𝑃𝑉4), el LPV4 no sólo tiene en cuenta el Instrumentación Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 57 efecto de la dispersión (como hace el FS11) sino que también incluye los procesos de absorción. 𝛽𝑒𝑥𝑡, 𝐿𝑃𝑉4=−𝑙𝑛 𝑅𝑊 𝐶𝐴𝐿 𝑃𝑊 ( 41 ) Siendo 𝑅𝑊 la lectura en bruto del LPV4, CAL la constante de calibración y 𝑃𝑊 la longitud de la trayectoria durante el funcionamiento. La constante de calibración tiene en cuenta las transmitancias de todos los componentes ópticos, la eficiencia del receptor y la irradiancia emitida. La transmitancia monocromática puede calcularse a partir de la ley de Beer-Lambert-Bouguer: 𝑇𝑥, 𝐿𝑃𝑉4=𝑒𝑥𝑝 −𝛽𝑒𝑥𝑡, 𝐿𝑃𝑉4·𝑥 ( 42 ) El rango de medición para el 𝛽𝑒𝑥𝑡, 𝐿𝑃𝑉4 está entre 0,01 y 6,5535 𝑘𝑚−1 que corresponde a un intervalo de transmitancia de 0,002 a 0,990 para un slant range de 1 km. Esto equivale a a un MOR de 458 m a 300 km empleando la aproximación de Koschmieder. Otra salida disponible del LPV4 es el SVR. Figura 5.2.Transmisómetro LPV4 Optec. A la izquierda, la unidad receptora y a la derecha,la unidad transmisora. 5.3 Fotómetro solar CIMEL CE318 Algunos métodos que se han detallado en secciones anteriores para determinar la transmitancia atmosférica se desarrollan incluyendo los datos de un fotómetro solar que muestra mejor las condiciones del aerosol en el lugar bajo estudio. El fotómetro solar CIMEL CE318 es un instrumento diseñado para la medida autónoma y automática de la radiancia solar directa con medidas realizadas cada 15 minutos. A partir de estas, se pueden obtener el espesor óptico de aerosoles y el vapor de agua precipitable. A mitad de los 90, la NASA creó la red internacional AERONET dedicada al estudio climatológico de los aerosoles a escala global. Esta red adoptó el fotómetro CIMEL como su estándar de medida. Se compone de un cabezal de sensores en el que se incluye un doble colimador de 1,2º de ángulo de visión. En la cabeza sensora se ubica una rueda de filtros con hasta 9 posiciones para conmutar entre diferentes longitudes Efecto de la atenuación atmosférica en ls centrales de torre Revisión de Modelos y Procedimientos para la mmmmmmmmmmmmmmmm Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 64 6.3 Schmitz Schmitz [41] analizó una central de torre con un concentrador secundario y un receptor cilíndrico a 40º de latitud N. El concentrador secundario provoca la necesidad de un campo de heliostatos elíptico orientado hacia el norte debido al cono de visión reducido que da lugar a grandes distancias de los heliostatos al receptor. Por esto, la atenuación atmosférica es más relevante en este caso. La atenuación se parametriza con la ecuación del modelo L&H ligeramente modificada y la simulación se llevó a cabo con HFLCAL. Como resultado, la variación de la potencia concentrada por el concentrador secundario en el receptor para el punto de diseño (21 de junio a mediodía) de 25 MWth a 800 MWth dio lugar a una pérdida debido a la atenuación de aprocimadamente 3% a 11%. Para 150 MWth, se obtuvo una pérdida del 5%. 6.4 Goebele et ál. Goebel [42] estimó para el clima español y californiano una reducción del 1% en el rendimiento energético de una central de torre debido a la atenuación atmosférica. Según el estudio, el efecto puede suponer hasta un 10% de reducción del rendimiento energético, en comparación con el caso en el que se desprecia la atenuación, en las regiones con alta carga de aerosol (p.ej. UAE). No se dan especificaciones sobre la planta de torre considerada en el estudio. 6.5 Mustafa et ál. Mustafa [43] simuló la eficiencia y la potencia de la planta PS10 (Abengoa) en el sur de España (37,1 MWth, campo norte) y la misma configuración de planta para Asuán en el sur de Egipto (50,5 MWth, campo norte). Para describir la atenuación se empleó la ecuación del modelo claro de DELSOL3. Se simularon 12 días de referencia (el día 21 de cada mes) que dio como resultado casi la misma reducción anual de la eficiencia óptica para ambas localizaciones, igual a un 4,6%. En un segundo paso, se ajustó la configuración de la planta de Egipto para reducir las pérdidas del factor coseno. El campo de heliostatos se extendió en la dirección norte y la altura de la torre se aumentó de 116 a 160 m, aumentando así la potencia a 52,6 MWth. La pérdida de eficiencia óptica anual resultante debido a la atenuación para este caso en Egipto fue un 5,1%. 6.6 Zhang et ál. Zhang [44] simuló una planta de receptor central de 8,5 MWth a 40,4º de latitud N, con un campo de heliostatos orientado al norte, un receptor de cavidad y una torre de 118 m. Aplicaron la ecuación del modelo claro de DELSOL3 y se obtuvo una reducción del rendimiento óptico medio anual de aproximadamente 3,07%. 6.7 Cardemil et ál. En el estudio de Cardemil [45] se simuló una central de torre de 50MWel, altura de torre de 100 m y localización en Brasil (Bom Jesus de Lapa 13,2º S, 43,3º W, 440 m sobre el nivel del mar) aplicando tres modelos diferentes de atenuación atmosférica: la ecuación del modelo claro de DELSOL3, el modelo P&V y el model de S&W. Los detalles sobre la configuración del campo, el receptor y el heliostato no se indican en la publicación. Efecto de la atenuación atmosférica en ls centrales de torre Revisión de Modelos y Procedimientos para la mmmmmmmmmmmmmmmm Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 65 Para la ecuación del modelo claro de DELSOL se utilizó un MOR de 29,3 km. Para el modelo P&V se asumió un MOR constante de 23 km ya que no se dispone de series de datos temporales y se ha obtenido 𝛽𝑠 con la apoximación de Koschmieder. Para el modelo S&W se asumió un MOR constante de 15 km que se calculó a partir de un DNI medio de 990 𝑊·𝑚−2 medido el 29 de octubre entre las 12 y 13 h en Bom Jesus de Lapa. No se especifica que 𝐷𝑁𝐼𝑐𝑙𝑒𝑎𝑛,𝑠𝑖𝑚 se asume. El resultado fue un 4% menor con la ecuación de DELSOL que para los otros dos modelos debido a la mayor T1km. El resultado demostró que condiciones atmosféricas diferentes suponen diferencias en el diseño óptimo de la planta. 6.8 Liedke et ál. Liedke investigó el efecto de la atenuación atmosférica simulando una planta de receptor externo y campo de heliostatos con orientación norte ubicada en Qatar (20,057º N, 51,007º E) empleando HFLCAL [11]. Para las simulaciones se ha variado el tamaño del campo de heliostatos y la altura de la torre (206 y 339 m) de forma que el rango de potencias obtenido ha oscilado de 50 MWth a 350 MWth para el punto de diseño (21 de marzo, mediodía solar). Para esto, se han asumido dos niveles de atenuación constantes ficticios. Por un lado, se escogió la ecuación estándar del modelo claro de MIRVAL que se corresponde con un MOR de 27,1 km (T1km igual a 0,9 según la aproximación de Koschmieder). Por otra parte, se definió un caso brumoso con un SVR de 12 km (MOR igual a 9,2 km) que se transformó en 𝛽𝑠 con la aproximación de Koschmieder (T1km igual a 0,72) para utilizarse en el modelo P&V [13]. Se tomó una SVR de 12 km debido a que es la visibilidad que generalmente se registra en un aeropuerto cercano al lugar (aeropuerto Doha) aunque no está claro si dicha visivilidad se define de acuerdo con MOR, SVR u otra definición. Para el modelo P&V, se han incluido como entrada adicional el promedio anual de Tamb, pb y HR. El estudio muestra que para una planta de 50 MWth y la ecuación estándar del modelo MIRVAL, se produce una reducción del calor anual relativo entregado al bloque de potencia del 3,3%. Para el caso brumoso con un MOR de 9,2 km se obtuvo una pérdida de 7,4%. Para el tamaño creciente del campo de heliostatos, las pérdidas por atenuación obtenidas llegan hasta un 6,7% y 15,5% para 350 MWth y los dos modelos, respectivamente. Para 150 MWth se determina una pérdida del rendimiento anual del 4,8% y 10,9% para el caso claro y el brumoso. 6.9 Polo et ál. Polo [32] modeló con el código de trazado de rayos SAM la pérdida de rendimiento debida a la atenuación atmosférica para Tamanrasset (Argelia) y dos plantas a modo de ejemplo. La planta más grande se inspira en la planta Invanpah 1 de Brightsource, tiene una potencia de diseño de 126 MWel, sin capacidad de almacenamiento, campo circular y agua/vapor como fluido de transferencia de calor. La más pequeña, está diseñada de acuerdo con la planta Gemasolar de Torresol, con 19,9 Mwel de potencia, 12 h de almacenamiento, campo norte y sales fundidas como fluida de transferencia de calor. La atenuación atmosférica se obtuvo de las mediciones de AOD y simulaciones de transferencia radiativa usando su propio modelo descrito en el capítulo 4. En lugar de varios niveles de AOD, sólo se han simulado dos niveles (AOD de 550 nm igual a 0,1 (claro) y 0,7 (brumoso)) y se mantienen constante a lo largo de las simulaciones en lugar de considerar series temporales. De acuerdo con el modelo desarrollado, dichos niveles corresponden a T1km de 0,96 y 0,71 y un MOR de 77,6 y 8,9, respectivamente. Para Ivanpah 1, se obtiene una pérdida del 0,89% de la eficiencia óptica promedio diaria asumiendo la condición de atmósfera clara. Para las condiciones brumosas, se obtiene una reducción de 5,86%. En la planta Gemasolar, la reducción de la eficiencia óptica promedio diaria es de aproximadamente 0,25% para el caso claro y 1,94% para el brumoso. Efecto de la atenuación atmosférica en ls centrales de torre Revisión de Modelos y Procedimientos para la mmmmmmmmmmmmmmmm Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 66 No se da información acerca de la pérdida de potencia total debido a la atenuación pero el estudio muestra que la producción de energía diaria puede reducirse significativamente en períodos con altas cargas de aerosol y vapor de agua. 6.10 Hanrieder Hanrieder [27] realizó simulaciones de trazado de rayos con SPRAY para una planta de torre situada en PSA. La planta fue diseñada para una potencia térmica de 162 MWth, lo que corresponde a una potencia máxima a utilizar por el bloque de potencia de aproximadamente 27 MWel suponiendo una eficiencia de 0,38. La planta bajo simulación cuenta con un campo orientado hacia el norte y un receptor de cavidad de sales fundidas. Para demostrar los errores de cálculo en la estimación anual del rendimiento, se han realizado cuatro simulaciones, incluyendo por un lado las ecuaciones del modelo estándar para describir la transmitancia y por otro lado, series temporales de transmitancia en combinación con la ecuación del modelo exponencial de SPRAY. La serie temporal se obtuvo del método del sensor de visibilidad FS11 expuesto en el capítulo 4. Las simulaciones mostraron una pérdida en el rendimiento anual de la planta alrededor del 7% debido a la atenuación para el modelo exponencial. Para la ecuación estándar SPRAY, el rendimiento se subestima en aproximadamente 0,4%. La siguiente tabla resume el tamaño de las plantas incluídas en los estudios expuestos así como la latitud de cada lugar, el receptor y la configuración del campo de heliostatos. Además, se señala la hipótesis aplicadas para considerar la atenuación con el MOR resultante. En la última columna, se indica el efecto de este fenómeno, especificando si la pérdida obtenida se expresa como rendimiento óptico anual (o en el punto de diseño), la eficiencia óptica promedio diaria o en reducción anual del rendimiento de la planta. 67 Potencia Lat [ºN] Receptor y campo Modelo MOR Influencia atenuación Weinrebe 108 MWth 35 Volumétrico, circular DELSOL3 claro 29,3 3,8% rend óptico en punto de diseño Sánchez y Romero 30 MWth 37,4 Plano, 35º inclinado, campo norte Desconocido - 4,8% rend óptico en punto de diseño, 3,8% anual Schmitz 25-800 MWth 40 Concentrador secundario, campo norte L&H modificado 27,1 3-11% pérdida de porencia, para 150MWth 5% Mustafa 37,1 MWth 37,2 Receptor de vapor saturado, campo norte DELSOL3 claro 29,3 4,6% rend óptico anual 52,6 MWth 23,5 5,1% rend óptico anual Zhang 8,5 MWth 40,4 De cavidad, campo norte DELSOL3 claro 29,3 3,1% rend óptico anual Cardemil 50 Mwel -13,2 Desconocido DELSOL3 claro 29,3 4% menor para el modelo claro DELSOL comparado con otros P&V 23 S&W 15 Liedke 50-350 MWth 25,1 Receptor externo, campo norte MIRVAL 27,1 3.3%-6,7% rend óptico en punto de diseño, 4,8% para 150 MWth P&V 9,2 7,2%-15,5% rend óptico en punto de diseño, 10,9% para 150 MWth Polo 126 Mwel 22,8 De cavidad, campo circular AOD=0,1; AOD= 0,7 77,6;8,9 0,89% eficiencia óptica promedio diaria; 5,86% 19,9 MWel De cavidad, campo norte 0,25% eficiencia óptica promedio diaria; 1,94% Hanrieder 162 MWth, 27MWel 37,1 De cavidad, campo norte SPRAY claro 27,1 7,4% rend anual DELSOL3 10,2 18,2% rend anual Series temporales Variable 7% rend anual 68 Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 69 7 CONCLUSIONES Se ha realizado una revisión bibliográfica que resume y compara las ecuaciones modelo más comunes que se emplean en herramientas de ray-tracing para estimar la atenuación de la radiación entre el campo de heliostatos y el receptor de una planta de torre. Además, se presentan varios métodos experimentales para determinar datos de atenuación dependientes del lugar y del tiempo y se cuestiona su aplicabilidad durante la evaluación de los recursos solares o durante el funcionamiento de la planta. Por último, se presentan diferentes estudios que investigan el efecto de la atenuación sobre el rendimiento o la eficiencia óptica de plantas específicas. Tras una selección previa, se han revisado 16 artículos sobre modelos de atenuación, 6 sobre métodos de determinación experimental y 10 sobre estimaciones del efecto sobre centrales termosolares. En la siguiente figura se muestra la distribución temporal de la fecha de publicación de los mismos. Figura 7.1. Histograma de la distribución temporal de la publicación de los artículos. En el histograma de la figura 7.1 se observa que el 43,75% del total corresponden a artículos publicados en los últimos 5 años y de este porcentaje, el 71,5% son artículos sobre métodos experimentales o estimación del efecto. El aumento del número de artículos durante los últimos años es un indicador del interés que suscita este problema debido a que se trata de un fenómeno relevante para el rendimiento de la planta y su diseño y, por tanto, una buena estimación del mismo podría contribuir a reducir los costes de los proyectos. 0 1 2 3 4 5 6 1976 1978 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 Número de documentos Año de publicación Conclusiones Revisión de Modelos y Procedimientos para la Estimación de la Atenuación Atmosférica en Centrales Termosolares de Torre 70 En cuanto a los diferentes modelos de atenuación analizados, la mayoría se basan en el conjunto de datos generados por Vittitoe y Biggs que a su vez se obtuvieron de cálculos con LOWTRAN3 e integraciones numéricas de datos de transmitancia espectral. Estos datos se generaron para condiciones muy específicas (2 elevaciones, 3 condiciones de aerosol...) que podrían no corresponderse con el caso bajo estudio por lo que los códigos podrían llevar a valores erróneos de transmitancia y conducir a una sobrestimación del rendimiento anual de la planta. Se observa una evolución en los diferentes modelos estudiados que se refleja en un mayor abanico de opciones por parte del usuario para modelar la transmitancia, como ocurre en el código SPRAY, que permite seleccionar hasta 6 opciones diferentes para aproximar la atenuación o el modelo P&V, que incluye datos meteorológicos que pueden obtenerse a partir de mediciones in situ, con lo que la atenuación podría determinarse de forma más específica para el lugar bajo estudio. Cabe destacar como modelo de interés el de S&W debido a su única dependencia con DNI, datos que normalmente están disponibles. A pesar de que como se ha mencionado, varias herramientas permiten implementar configuraciones de atenuación definidas por el usuario e incluso series temporales, normalmente la información sobre el lugar y la dependencia con el tiempo no está a disposición durante la fase de planificación. Recientemente, se han realizado estudios e investigaciones para determinar mediante métodos experimentales las series temporales de atenuación atmosférica en la capa más baja de la átmosfera con el fin de mejorar las simulaciones de las centrales de torre. Estos modelos se basan p.ej en mediciones de DNI, AOD, MOR o Tamb que pueden obtenerse in situ, reduciendo significativamente la incertidumbre de la estimación del fenómeno estudiado así como la variabilidad del mismo a lo largo de la vida útil de la planta. También existen comerciales disponibles para determinar la transmitancia como los transmisómetros o sensores de visibilidad que se utilizan en algunos de los métodos expuestos en este trabajo. Se podría recomendar que durante el desarrollo del proyecto y durante la optimización de la planta se utilicen mediciones in situ en lugar de ecuaciones modelo estándar, especialmente en sitios con alta carga de aerosoles o vapor de agua. En lugares con alto contenido en estos componentes, la pérdida anual del rendimiento de la planta puede representar un alto porcentaje debido a atenuación atmosférica. En sitios con atmósferas claras, las estimaciones estándar utilizadas hasta ahora en las simulaciones de trazado de rayos podrían ser lo suficientemente precisas, ya que la reducción real del rendimiento podría no diferir significativamente de la estimación. Para identificar si una atmósfera es clara, se puede utilizar el método basado en el DNI y otras mediciones generalmente disponibles de la Sec. 4.2.9. Para determinar la atenuación en detalle de los lugares con atmósfera brumosa, es recomendable aplicar los métodos que utilizan mediciones de MOR (p.ej. con la aproximación de la Sec. 4.2.5 o 4.2.6), junto a otras mediciones como DNI, Tamb, pb y HR que normalmente están disponibles durante la fase de evaluación de recursos de un proyecto o durante la operación de la planta. La generación de mapas geográficos de atenuación y la creación de años meteorológicos representativos de los datos de atenuación, necesarios para investigar la variabilidad de la misma, sigue siendo una necesidad abierta de investigación futura. 71 Referencias [1] Agencia Estatal de Meteorología. Aemet. [Online]. http://www.aemet.es/ [2] W. Zdunkowsko, T. Trautmann, and A. Bott, Radiation in the Atmosphere -.: Cambridge University Press. 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