Metodologías gráficas para la estimación de la incidencia de la Radiación Solar sobre superficies

Abstract

[EN] The solar power has been and continues being the original and primary source of energy. With the exception of some sources of energy such us the nuclear one, or the tidal one, the rest of sources of energy come directly or indirectly of the Sun. The utilization of a source of energy supposes the exploitation of a natural resource, this utilization can have negative implications for the environment. The European Union has led the international effort to control the causative factors of the climate change, trying to identify profitable measures that could reduce the emission. Objectives: The objective of this PhD thesis is to develop a graphical procedure to allow assessment of the impact of solar radiation on surfaces. To do so a three-dimensional geometry model under consideration and the surrounding environment will be used. Since result there will be obtained the values of radiation owed to the direct component and due to the diffuse component, distinguished for every point of the model. For the obtaining of the values the procedure bears the meteorology of the zone in mind, the shades produced by the environment on the model and the produced by the model on itself. The graphical results will be stored as bitmap images in grayscale, there being established for every value of grey a value of received radiation. Defined an environment with a geographical certain orientation and position, the methodology will allow to evaluate the incidental radiation, for a concrete period, on every point of the surfaces of the model. Methodology: - Validation of graphical methods. This block has divided in four sections. In the first sections there is defined the methodology of work applied in the rest of them. The second section, one proposes a methodology for the calculation of the solar incident angle. In other two sections there appear and validate the models of estimation of the direct and diffuse radiation. Obtaining a correlation between the values of grey assigned to a surface and the component of the radiation got for the same one, either direct or diffuse. - Procedure of accumulation of maps. In this block, the concepts of irradiance map and irradiation map are defined, beside specifying how they are generated from the meteorological information and the images obtained of the model. It also presents the methodology to add maps allowing the accumulation of values for periods superior to an hour. There has been defined a method that, starting from a irradiation map, allows to know the average irradiation got for a surface represented by an area of the same one. In another paragraph there define the energies map, the cosines map and the function Energy that allows to know the energy that receive the surfaces represented in the area selected of the map. - Methods for comparing maps. Useful for the analysis of results. - Implementation One possible implementation of the proposed methodology is presented, presenting the tools chosen. For part of the accumulation maps it has been chosen to develop our own application. - Example of use. Practical example that the implementation of the developed methodology is used. Results and discussions: In this paragraph there appear three cases of study on which the implementation of the methodology will be applied obtaining the results. The choice of the cases is not chance, and has been realized attending to different criteria. Different geographical zones have been chosen, having different latitudes. It has been tried that the studied geometries were guarding certain similarities in order to be able to compare results.

[ES] La energía solar ha sido y continúa siendo la fuente original y primaria de energía. A excepción de algunas fuentes de energía como pueden ser la nuclear, o la mareomotriz, el resto de fuentes de energía provienen directa o indirectamente del sol. La utilización de una fuente de energía supone la explotación de un recurso natural, este aprovechamiento puede tener implicaciones negativas para el medio ambiente. La Unión Europea ha liderado el esfuerzo internacional para controlar los factores causantes del cambio climático, tratando de identificar medidas rentables que puedan reducir las emisiones. Objetivos: El objeto de la presente Tesis Doctoral es desarrollar un procedimiento gráfico que permita la evaluación de la incidencia de la radiación solar sobre las superficies. Para ello se utilizará un modelo tridimensional tanto de la geometría objeto de estudio como del entorno que la rodea. Como resultado se obtendrán los valores de radiación debidos a la componente directa y los debidos a la componente difusa, particularizados para cada punto del modelo. Para la obtención de los valores el procedimiento tiene en cuenta la meteorología de la zona las sombras producidas por el entorno sobre el modelo y las producidas por el modelo sobre sí mismo. Los resultados gráficos serán almacenados en forma de imágenes de mapa de bits en escala de grises, estableciéndose para cada valor de gris un valor de radiación recibida. Definido un entorno con una orientación y posición geográficas determinadas, la metodología permitirá evaluar la radiación incidente, para un periodo concreto, sobre cada punto de las superficies del modelo. Metodología: - Validación de métodos gráficos. Este bloque se ha dividido en cuatro apartados. En el primer apartado se define la metodología de trabajo aplicada en el resto de ellos. En el segundo apartado, se propone una metodología para el cálculo del ángulo de la incidencia solar. En los otros dos apartados se plantean y validan los modelos de estimación de la radiación directa y difusa. Obteniendo una correlación entre los valores de gris asignados a una superficie y la componente de la radiación recibida por la misma, bien sea directa o difusa. - Procedimiento de acumulación de mapas. En este bloque se definen los conceptos de mapa de irradiancias y de mapa de irradiación, además de especificar cómo se generan a partir de los datos meteorológicos y las imágenes obtenidas del modelo. También se presenta la metodología para sumar mapas permitiendo la acumulación de valores para periodos superiores a una hora. Se ha definido un método que, partiendo de un mapa de irradiaciones, permite conocer la irradiación media recibida por una superficie representada por un área del mismo. En otro apartado se definen el mapa de energías, el mapa de cosenos y la función Energía que permite conocer la energía que reciben las superficies representadas en el área seleccionada del mapa. - Métodos para la comparación de mapas. Útiles para el análisis de resultados. - Implementación Se presenta una posible implementación de la metodología propuesta, presentando las herramientas informáticas elegidas. Para la parte de la acumulación de mapas se ha optado por desarrollar una aplicación propia. - Ejemplo de utilización. Ejemplo práctico en que se utiliza la implementación de la metodología desarrollada. Resultados y discusiones: En este apartado se plantean tres casos de estudio sobre los que se aplicará la implementación de la metodología obteniendo los resultados. La elección de los casos no es casual, y se ha realizado atendiendo a diferentes criterios. Se han elegido diferentes zonas geográficas, disponiendo de diferentes latitudes. Se ha tratado que las geometrías estudiadas guardaran ciertas similitudes a fin de poder comparar resultados.

[CA] L'energia solar ha sigut i continua sent la font original i primària d'energia. A excepció d'algunes fonts d'energia com poden ser la nuclear, o la mareomotriu, la resta de fonts d'energia provenen directament o indirectament del sol. La utilització d'una font d'energia suposa l'explotació d'un recurs natural, aquest aprofitament pot tenir implicacions negatives per al medi ambient. La Unió Europea ha liderat l'esforç internacional per controlar els factors causants del canvi climàtic, tractant d'identificar mesures rendibles que puguen reduir les emissions. Objectius: L'objecte de la present Tesi Doctoral és desenvolupar un procediment gràfic que permeta l'avaluació de la incidència de la radiació solar sobre les superfícies. Per a això s'utilitzarà un model tridimensional tant de la geometria objecte d'estudi com de l'entorn que l'envolta. Com a resultat s'obtindran els valors de radiació deguts a la component directa i els deguts a la component difusa, particularitzats per a cada punt del model. Per a l'obtenció dels valors el procediment té en compte la meteorologia de la zona les ombres produïdes per l'entorn sobre el model i les produïdes pel model sobre si mateix. Els resultats gràfics seran emmagatzemats en forma d'imatges de mapa de bits en escala de grisos, establint-se per a cada valor de gris un valor de radiació rebuda. Definit un entorn amb una orientació i posició geogràfiques determinades, la metodologia permetrà avaluar la radiació incident, per a un període concret, sobre cada punt de les superfícies del model. Metodologia: - Validació de mètodes gràfics. Aquest bloc s'ha dividit en quatre apartats. Al primer apartat es defineix la metodologia de treball aplicada en la resta d'ells. En el segon apartat, es proposa una metodologia per al càlcul de l'angle de la incidència solar. En els altres dos apartats es plantegen i validen els models d'estimació de la radiació directa i difusa. Obtenint una correlació entre els valors de gris assignats a una superfície i la component de la radiació rebuda per la mateixa, bé siga directa o difusa. - Procediment d'acumulació de mapes. En aquest bloc es defineixen els conceptes de mapa d'irradiàncies i de mapa d'irradiació, a més d'especificar com es generen a partir de les dades meteorològiques i les imatges obtingudes del model. També es presenta la metodologia per sumar mapes permetent l'acumulació de valors per a períodes superiors a una hora. S'ha definit un mètode que, partint d'un mapa d'irradiacions, permet conéixer la irradiació mitjana rebuda per una superfície representada per una àrea del mateix. A un altre apartat es defineixen el mapa d'energies, el mapa de cosinus i la funció Energia que permet conéixer l'energia que reben les superfícies representades a l'àrea seleccionada del mapa. - Mètodes per a la comparació de mapes. Útils per a l'anàlisi de resultats. - Implementació. Es presenta una possible implementació de la metodologia proposada, presentant les eines informàtiques triades i la configuració utilitzada en les mateixes. Per a la part de l'acumulació de mapes s'ha optat per desenvolupar una aplicació pròpia. - Exemple d'utilització. Exemple pràctic en què s'utilitza la implementació de la metodologia desenvolupada. Resultats i discussions: En aquest apartat es plantegen tres casos d'estudi sobre els quals s'aplicarà la implementació de la metodologia obtenint els resultats. L'elecció dels casos no és casual, i s'ha realitzat atenent a diferents criteris. S'han triat diferents zones geogràfiques, disposant de diferents latituds. S'ha tractat que les geometries estudiades guardaren certes similituds a fi de poder comparar resultats.