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InsolDia: Cálculo de la radiación solar de un día o de un instante
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Presentación
Esta aplicación calcula la radiación solar incidente (en unidades de energía, no de potencia) en cada punto del terreno a lo largo de un determinado día del año. También permite realizar el cálculo en un intervalo de tiempo a lo largo del día (no todo el día) e instantáneo en un momento concreto del día. Para realizar estos cálculos utiliza un Modelo Digital de Elevaciones (MDE). Además de la irradiancia solar, la transmitancia atmosférica, los ángulos de incidencia, las sombras proyectadas, la distancia de la Tierra al Sol y otros parámetros que se especifican más adelante, la aplicación tiene en cuenta la posición del Sol en intervalos temporales definidos por la persona usuaria (cada hora, por ejemplo, excepto en el caso instantáneo, en el que el intervalo no se utiliza).
La radiación difusa se estima como un porcentaje de la radiación directa de forma similar al que se proponía con la ecuación de Page (1986), ajustada por Baldasano et al. con datos de Cataluña en 1994; el porcentaje puede indicarse como un valor constante (a través del parámetro percent_difus de la línea de comando, aplicando un modelo simplificado llamado Condiciones Atmosféricas Constantes, CAC) o bien proporcionando un ráster que indicará el porcentaje en cada punto del territorio (aplicando un modelo más sofisticado, llamado InsolMets, a través del modificador /PERC_DIF_VS_DIRECT=, y entonces se ignora percent_difus). La radiación directa respecto de la cual se calcula la radiación difusa corresponde a la directa en un día claro, lo que evita que si la radiación directa es nula o muy pequeña por causa de nubes muy gruesas, la radiación difusa acabe siendo prácticamente inexistente, algo que no sería realista; a tal efecto se utiliza el parámetro tau_0_dia_clar (más adelante se indican valores orientativos). CAC e InsolMets también se diferencian por la introducción de parámetros que permiten considerar la Fracción de Cubierta Nubosa y/o el Coeficiente de extinción, tau_0, en cada punto del terreno (a partir de modelos digitales ráster), como se mostrará en la caja de diálogo y se explicará en la sección de sintaxis.
Es necesario proporcionar la irradiancia espectral exoatmosférica solar para el intervalo deseado de longitudes de onda, en W/(m2·µm) [o bien la irradiancia exoatmosférica solar, en W/m2], el coeficiente de extinción tau_0 (τ0, o profundidad óptica) (exponente para calcular la transmitancia) y los ficheros de sombras en intervalos predefinidos (e.g., una hora) (se sugiere crear un archivo BAT o PS1 que los escriba automáticamente a partir de la aplicación Ombra). Si se desea hacer el cálculo para todo el espectro solar, se sugiere introducir como irradiancia exoatmosférica solar 1366 W/m2 (ISO 21348:2007), y como tau_0, 0.288 (atmósfera clara forestal media, Rothermel et al. 1986).
La posición solar se calcula para el centro del MDE. El resultado de la aplicación es un archivo en 10 kJ/(m2·día·µm) en el caso de proporcionar irradiancias espectrales, o en 10 kJ/(m2·día) en el caso de proporcionar irradiancias, tanto para cálculos a lo largo de todo el día, como en intervalos temporales especificados por la persona usuaria (en este caso las unidades quedan documentadas por "día parcial"). En el caso de cálculos instantáneos (en realidad se toma el segundo de la hora indicada), las unidades pasan a ser J/(m2·s·µm) y J/(m2·s), respectivamente para los casos espectral y no espectral. Para explicitar que los datos de irradiancia proporcionados son espectrales, se puede utilizar el modificador optativo /IRRAD_ESPEC=1, aunque no es necesario al ser el criterio por defecto; en caso contrario, debe indicarse /IRRAD_ESPEC=0. El archivo se almacena, por defecto, en un ráster de enteros de 2 bytes/celda; si se desea que el archivo sea de reales de 4 bytes/celda se debe utilizar el modificador optativo /DadesRad=Real_10kJ (que en realidad serán reales en julios en caso de cálculo instantáneo). Durante el cálculo se carga en memoria el MDE, la matriz de iluminación y la matriz temporal de cálculo de radiaciones.
Nota 1: Típicamente, cuando la irradiancia exoatmosférica proporcionada es la constante solar [que incluye todo el espectro electromagnético solar] conviene indicar que se documente en 10 kJ/(m2·día) [o en J/(m2·s) en cálculos instantáneos] usando el modificador /IRRAD_ESPEC=0, mientras que cuando se desea calcular la radiación en una región espectral concreta, como el rojo, la irradiancia exoatmosférica proporcionada suele ser espectral [por unidad de longitud de onda] y conviene que las unidades queden documentadas en 10 kJ/(m2·día·µm) [o en J/(m2·s·µm) en cálculos instantáneos], para lo cual no es necesario indicar nada especial, o se puede explicitar /IRRAD_ESPEC=1.
Nota 2: Si en latitudes cercanas a los polos se pide el cálculo en una fecha en la que el Sol no sale en ningún momento del día se generan valores de radiación cero, excepto en las zonas en las que hubiera sindatos en el MDE, en que también se escribe un sindatos.
Nota 3: Si las unidades del MDE no son las mismas que las planimétricas, la aplicación realiza el cálculo correctamente igualmente, o avisa si no sabe efectuar la conversión.
Nota 4: Para convertir las unidades obtenidas de 10 kJ/(m2·día) a kWh/(m2·día) es necesario dividir los valores entre 360.
Para más información se puede consultar las siguientes referencias en la que se expone y discute el algoritmo utilizado:
Caja de diálogo de la aplicación
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| Caja de diálogo de InsolDia. |
Ejemplos gráficos
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| Modelo Digital de Elevaciones de una zona de la Península Ibérica y cálculo de la radiación solar el 15 de diciembre de 2023 con los parámetros por defecto. |
Sintaxis
Sintaxis:
- InsolDia MDE directorio_sombra fichero_salida dia mes año irradiancia_exoatm tau_0 incremento_horario tau_0_dia_claro percent_difusa [/INSTANT] [/INICI] [/FINAL] [/TAU_0] [/PERC_DIF_VS_DIRECT] [/IRRAD_ESPEC] [/DadesRad] [/CFC] [/TAU_0_CelClar]
Parámetros:
- MDE
(Modelo digital de elevaciones -
Parámetro de entrada): Modelo digital de elevaciones en formato ráster IMG.
- directorio_sombra
(Directorio sombra -
Parámetro de entrada): Directorio donde se han guardado los diferentes modelos derivados del MDE generados con la aplicación Ombra. Es necesario disponer de una serie de modelos que contengan el rango de posibles azimuts que se darán durante el día elegido. Dentro de este rango se generarán unos de representativos (p.ej. cada 10 grados) y deben tener por nombre su correspondiente azimut (0.img, 10.img..., ...100.img, 110.img, 120.img...). La aplicación determina automáticamente (a partir de los nombres de los ficheros) el intervalo angular entre capas de sombras disponibles (10 grados en el ejemplo anterior). El mínimo intervalo admisible es 1 grado (ficheros ...111.img, 112.img, 113.img...), pero con intervalos del orden de 10 grados se suelen obtener resultados suficientemente precisos. Si se trabaja en una zona donde pueda hacer falta el archivo 360.img (por ejemplo en zonas cercanas al Polo Norte a finales de junio), deberá crearse (o bien crearlo como un duplicado del archivo 0.img).
- fichero_salida
(Fichero salida -
Parámetro de salida): Ráster IMG resultado del cálculo de radiación solar.
- dia
(Día -
Parámetro de entrada): Día para el cual se realiza el cálculo de radiación solar.
- mes
(Mes -
Parámetro de entrada): Mes para el cual se realiza el cálculo de radiación solar.
- año
(Año -
Parámetro de entrada): Año para el cual se realiza el cálculo de radiación solar.
- irradiancia_exoatm
(Irradiancia exoatmosférica -
Parámetro de entrada): Valor estimado de irradiancia solar que llega al exterior de la atmosfera terrestre, en W/m2 (o en W/(m2·µm) en cálculos en regiones espectrales específicas); se sugiere 1366 en el caso no espectral
- tau_0
(Coeficiente de extinción -
Parámetro de entrada): Coeficiente de extinción; se sugiere 0.288. Se utiliza cuando se ejecuta el modelo CAC. En caso de ejecutar el programa con el modificador /TAU_0=, tau_0 se ignora ya que el cálculo se hace partir de los datos del ráster indicado con este modificador en cada punto del territorio; se sugiere, por pulcritud, indicar un valor -1 a tau_0 en este caso.
- incremento_horario
(Incremento horario -
Parámetro de entrada): Incremento, en unidades horarias, que se aplica a la nueva posición solar desde la posición de partida y de forma sucesiva, para determinar un nuevo cálculo instantáneo de radiación potencial que represente en promedio el intervalo definido. Se sugiere 1, pero puede utilizarse, por ejemplo 0.5 para cálculos cada 30', o 2 para cálculos cada 2 h (menos precisos, pero más rápidos). En caso de ejecutar el programa con el modificador /INSTANT=, el incremento horario se ignora puesto que el cálculo sólo se hace en el momento solicitado; se sugiere, por pulcritud, indicar un valor -1 al increment_horari en este caso.
- tau_0_dia_claro
(Coeficiente de extinción en día claro -
Parámetro de entrada): Permite un cálculo de la radiación difusa más razonable. Se puede indicar 0.223 para una atmósfera excepcionalmente clara, o 0.288 para una atmósfera clara forestal media (Rothermel et al. 1986).
- percent_difusa
(Porcentaje de la radiación difusa vs directa -
Parámetro de entrada): Porcentaje de radiación difusa (calculada con tau_0_dia_clar) en relación a la radiación directa. Típicamente se puede indicar 20 para un 20 %. Se utiliza cuando se ejecuta el modelo CAC. En caso de ejecutar el programa con el modificador /PERC_DIF_VS_DIRECT=, percent_difus se ignora ya que el cálculo se realiza a partir de los datos del ráster indicado con este modificador en cada punto del territorio; se sugiere, por pulcritud, indicar un valor -1 a percent_difus en este caso.
Modificadores:
/INSTANT=
(Cálculo instantáneo)
Restringe el cálculo, que por defecto es acumulado diario, a únicamente un cálculo instantáneo (durante 1"). Debe indicarse el valor como hora solar local. (Parámetro de entrada) /INICI=
(Inicio)
Permiten definir el inicio de un intervalo temporal (dentro del día especificado) para el cálculo acumulado de radiación solar. Los valores se indican como hora solar local. En ese caso las unidades quedan documentadas por "día parcial". (Parámetro de entrada) /FINAL=
(Final)
Permiten definir el final de un intervalo temporal (dentro del día especificado) para el cálculo acumulado de radiación solar. Los valores se indican como hora solar local. En ese caso las unidades quedan documentadas por "día parcial". (Parámetro de entrada) /TAU_0=
(TAU_0)
Se permite, a través del parámetro optativo /TAU_0=, que la TAU_0 pueda tener un valor específico para cada celda del MDE (por ejemplo a partir de datos de teledetección atmosférica). Se utiliza cuando se ejecuta el modelo InsolMets. En este caso, /TAU_0= indicará dónde está el ráster que contiene los valores de TAU_0 en cada celda; por ejemplo /TAU_0=c:\RadSolar\TAU_0_10-mayo.img. Este ráster contiene valores reales de 4 bytes y tendrá el mismo Sistema de Referencia Horizontal (SRH) y dimensiones que el MDE; se puede utilizar CanviPrj y/o AdapRas si es necesario. Cuando se indica el parámetro /TAU_0= la aplicación ignora el octavo parámetro de la línea de comando (que es un valor de TAU_0 general para todo el ráster); en este caso se sugiere indicar, por pulcritud, un valor -1 en el octavo parámetro. (Parámetro de entrada) /PERC_DIF_VS_DIRECT=
(PERC_DIF_VS_DIRECT)
Se permite, a través de este parámetro optativo, que el porcentaje de la radiación difusa respecto a la directa pueda tener un valor específico para cada celda del MDE (por ejemplo a partir de la interpolación de datos de estaciones terrestres de radiación solar). Se utiliza cuando se ejecuta el modelo InsolMets. En este caso, /PERC_DIF_VS_DIRECT= indicará dónde está el ráster que contiene los valores del porcentaje en cada celda; por ejemplo /PERC_DIF_VS_DIRECT=c:\RadSolar\Perc_difusa_vs_directa.img. Este ráster contiene valores reales de 4 bytes y tendrá el mismo SRH y dimensiones que el MDE; se puede utilizar CanviPrj y/o AdapRas si es necesario. Cuando se indica el parámetro /PERC_DIF_VS_DIRECT= la aplicación ignora el undécimo parámetro de la línea de comando (que es un valor general del porcentaje para todo el ráster); en este caso se sugiere indicar, por pulcritud, un valor -1 en el undécimo parámetro. Los valores del ráster se expresan en tanto por ciento. (Parámetro de entrada) /IRRAD_ESPEC
(IRRAD_ESPEC)
Se permite indicar si las unidades a documentar son de irradiancia (se debe indicar 0, para "falso"), típicas cuando la irradiancia exoatmosférica proporcionada es la constante solar (en este caso se documentarán por ejemplo 10 kJ/(m2·día)), o de irradiancia espectral [por unidad de longitud de onda] (debe indicarse 1, para "cierto"), típicas cuando se quiere calcular la radiación en una región espectral, como el rojo, y la irradiancia exoatmosférica proporcionada es espectral [por unidad de longitud de onda] (en este caso se documentarán por ejemplo 10 kJ/(m2·día·µm)); nótese que las unidades que se acaba de indicar son sólo ejemplos y pueden cambiar según si la aplicación trabaja en modo instantáneo, etc. El valor predeterminado es 1, que corresponde a las versiones de la aplicación anteriores a septiembre de 2023. (Parámetro de entrada) /DadesRad=
(DadesRad)
Se permite indicar Int_10kJ si el formato de salida deseado son números enteros de 2 bytes con signo redondeados de "10 kJ/(m2·día·µm)" (léase "decenas de kilojulios...") o las unidades que apliquen según el modo de ejecución; Int_10kJ es el modo por defecto e igual a las versiones de la aplicación anteriores a septiembre de 2023. Si se desea disponer de los resultados en reales de 4 bytes es necesario indicar Real_10kJ. (Parámetro de entrada) /CFC=
(CFC)
Permite indicar, a través de un ráster, la fracción de cubierta nubosa(Cloud Fractional Cover), asignando un valor específico para cada celda del MDE (e.g., a partir de datos de teledetección atmosférica de CFC). En este caso, /CFC= indicará dónde está el ráster que contiene los valores de CFC en cada celda; e.g., /CFC=c:\RadSolar\CFC_10-mayo.img. Este ráster debe contener valores reales de 4 bytes y tendrá el mismo SRH y dimensiones que el MDE; se puede utilizar CanviPrj y/o AdapRas en caso necesario. Los valores del ráster se expresan en tanto por 1; una atmósfera totalmente cubierta de nubes en un píxel presenta un valor 1, y una atmósfera totalmente clara, un valor 0. Este modificador debe suministrarse conjuntamente con el modificador /TAU_0_CelClar=. Se utiliza cuando se ejecuta el modelo InsolMets. (Parámetro de entrada) /TAU_0_CelClar=
(TAU_0_CelClar)
Permite indicar el coeficiente de extinción de la radiación solar en la fracción de cielo despejado. En caso de proporcionar este modificador, el parámetro del coeficiente tau_0 (o el modificador /TAU_0= como ráster) se interpreta como el coeficiente de extinción de la radiación solar en la fracción de cielo nublado. Se sugiere introducir un valor similar o igual al proporcionado en el parámetro tau_0_dia_clar. Este modificador debe proporcionarse junto con el modificador /CFC=. Se utiliza cuando se ejecuta el modelo InsolMets. (Parámetro de entrada)
