Estimación de la irradiación solar en superficies verticales en entornos urbanos para aplicaciones fotovoltaicas integradas en edificios (BIPV)
Authors:   , García Rojas Redlich Javier 
Published: August 2024

La evaluación del recurso solar para el financiamiento y ejecución de proyectos de energía solar es fundamental, debido a que permite tener una estimación del desempeño del proyecto en cuanto a producción de energía y retorno de inversión. Esta evaluación del recurso en sitios despejados se encuentra en un gran estado de madurez gracias a las estimaciones satelitales y las campañas de medición. Sin embargo, la evaluación del recurso solar en entornos urbanos, donde existen factores como la compacidad, densidad de población, y diversas superficies de reflexión, no ha alcanzado todavía el mismo nivel de madurez. De ahí la importancia de desarrollar una metodología para la estimación de la irradiancia solar en superficies verticales en ciudades. Esta disertación se centra en la estimación de irradiancia solar en superficies verticales de entornos urbanos de baja densidad para aplicaciones de BiPV (Building Integrated Photovoltaic), con el fin de crear una base de conocimiento científico para el desarrollo sustentable de ciudades que tengan alto índice de compacidad, características topográficas heterogéneas y diversidad en la arquitectura urbana. El objetivo general de esta investigación es desarrollar una metodología para la estimación de las distintas componentes de la radiación solar en ambientes urbanos, utilizando herramientas de acceso abierto, en la ciudad de Santiago de Chile como caso de estudio, incluyendo la radiación en superficies verticales para aplicaciones BiPV. Los objetivos específicos son: i) Ajustar los predictores del modelo de descomposición BRL, mediante la incorporación de la climatología local y la aplicación de una metodología rigurosa de control de calidad de datos, a partir de la radiación obtenida mediante series de mediciones a largo plazo, ii) generar diversos modelos digitales de superficie a través de la técnica de fotogrametría utilizando datos de herramientas de acceso abierto, iii) desarrollar una metodología para estimar la radiación solar en un plano vertical que incluya el albedo, la compacidad, el factor de cielo visible mediante una corrección de elevación, la descomposición de la irradiancia global y difusa y una topografía de terreno, usando datos de Google Earth y MODIS LSA y iv) evaluar la producción de energía fotovoltaica en plano vertical a partir de los datos de radiación estimados en el plano vertical. El enfoque metodológico en esta investigación se divide en 7 procesos: i) Selección de área urbana, ii) análisis y estimación en plano vertical de la radiación solar, iii) desarrollo de un modelo digital de superficie (DSM) urbano, iv) generación del albedo del DSM, v) análisis de sombras y factor de cielo visible, vi) integración de la reflexión por albedo urbano y vii) validación de la metodología con un sistema de producción fotovoltaica con tecnología BiPV. Con respecto a la descomposición de la radiación solar, a través del ajuste de los predictores del BRL para diversas ubicaciones demostró que dichos coeficientes fueron diferentes entre sí, lo que sugiere un carácter local para el modelo. Además, el resultado de aplicar esta metodología a los casos de estudio en Chile fue que el valor estimado de radiación para la pared Norte es de aproximadamente 1000 kWh/m2 /año en toda la superficie, lo cual es de suma utilidad para los proyectos de BiPV, ya que estos son los valores de radiación que utilizan para la instalación este tipo de sistemas solares. En cuanto a los valores de radiación a lo largo de las paredes, se analizaron tres puntos de alturas respecto al suelo: 5 m, 20 m y 32 m. De forma general, se observó que la radiación a 5 m es menor que a 20 m y 32 m, con una diferencia del orden de 2.4% debido a los obstáculos cercanos. La validación de la metodología se realizó de dos formas: la primera con mediciones en el plano vertical en las fachadas Este y Oeste para los edificios de Santiago de Chile, y para el edificio de Madrid, en las fachadas Este, Oeste y Sur, arrojando errores en base diaria de 12%, para la base mensual de 13%, y para la base anual 8% en promedio. Y la otra validación se realizó en el edificio 42 del Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT), ubicado en la ciudad de Madrid – España, ya que cuenta con una instalación de BiPV. Se aplicaron todos los procedimientos descritos para obtener la radiación en superficies verticales y se validaron con las respectivas mediciones de radiación en plano vertical que están instaladas en el mismo centro de investigación. Acto seguido, se comparó la generación de producción eléctrica, utilizando tanto los datos medidos por el Centro de Investigación como los estimados a través de la metodología propuesta en este trabajo. Considerando principalmente la fachada Sur que es la más importante en el hemisferio Norte y obteniendo errores anuales de producción en la fachada Sur y Oeste de 7% y 19%, respectivamente. Finalmente, esta metodología se comparó con otros trabajos que utilizan metodologías diferentes para estimar la radiación en planos verticales, encontrándose que los errores están dentro de la media de dichos trabajos. Por lo tanto, con esta validación también se confirma la replicabilidad de la metodología, ya que fue aplicada en Santiago – Chile, y en Madrid – España, evaluándose tres edificios distintos con condiciones urbanas, climáticas y hemisferios diferentes, y encontrándose errores que son aceptables dentro del resto de trabajos de esta misma naturaleza. En consecuencia, esta investigación demuestra que la metodología desarrollada utilizando series de medición de largo plazo y herramientas de acceso abierto es una opción válida para estimar la radiación solar de superficies verticales en entornos urbanos de baja densidad y sirve de base para la implantación de tecnologías solares como BiPV. No obstante, los responsables de la formulación de políticas energéticas, y los encargados de tomar decisiones, como los ministerios y entidades gubernamentales, deberían promover la autosustentabilidad de ciudades como actuación prioritaria. Esto se puede lograr reconociendo el potencial energético que tienen las ciudades. En esta línea, esta tesis de investigación manifiesta el valor que puede tener la energía solar en entornos urbanos de baja densidad en Chile para aumentar la diversidad en la futura matriz energética. Proporciona métodos y pautas innovadores de libre acceso para estimar la radiación solar en superficies verticales de edificios. También resalta el valor de calcular la producción fotovoltaica integrada en edificios a partir de la radiación estimada. De esta manera, se necesita más investigación aplicada, como la presentada en esta tesis, para seguir estudiando la radiación en entornos urbanos y agregar más valor a los futuros sistemas de generación solar dentro de los mismos.