Objetivos
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Instalar y mantener operacionalmente una red de cámaras de todo cielo, distribuidas por todo el entorno urbano de Valladolid (España) y su periferia, para capturar, almacenar y procesar imágenes digitales del cielo sobre la ciudad. Se instalará un total de 25 cámaras para cubrir toda la zona manteniendo una distancia en torno a 2 km entre cámaras para poder realizar técnicas de estereoscopía.
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Desarrollar e implementar una serie de algoritmos y métodos capaces de proporcionar, a partir de las imágenes digitales obtenidas del cielo, un mapa tridimensional de las nubes y sus propiedades sobre la ciudad en tiempo cuasi-real, así como una predicción temporal del mapa 3D de nubes a corto plazo. Se pretende detectar las nubes en las distintas imágenes de las cámaras de cielo y, conociendo la posición de cada una en las imágenes de las distintas cámaras, se podrá determinar la altura y posición de las nubes sobre el terreno de la ciudad y alrededores. Esto permitirá obtener un mapa 3D de las nubes con gran resolución espacial. La variación temporal del mapa 3D será empleada para predecir su evolución, aunque también se abordará el uso de algoritmos de inteligencia artificial para detectar y predecir la posición de las nubes.
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Calcular la radiación solar que llegará a distintos puntos de la ciudad con un modelo de transferencia radiativa 3D capaz de asimilar la predicción del mapa 3D de nubes obtenida en el objetivo 2. Se utilizará el modelo Mystic/libRadtran y, para validar el método, los resultados serán comparados con medidas que se llevarán a cabo con piranómetros instalados por la ciudad.
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Difundir los resultados y productos derivados del proyecto a la comunidad científica y a la sociedad en general. Además de publicar los resultados en revistas científicas y medios generalistas, se va a crear una aplicación de móvil para visualizar las imágenes y las predicciones del recurso solar.
Descripción
Para lograr una situación ambientalmente sostenible a través de una transición ecológica, es necesaria una transición a un nuevo modelo energético. Dos elementos clave en esta transición son: la máxima integración de energías renovables y la eficiencia energética. Esto es especialmente importante en los entornos urbanos, donde el consumo energético es dos terceras partes del global. En el caso de la energía renovable solar, una manera eficiente de consumir esta energía es conociendo de antemano el recurso solar que va a estar disponible y, en base a esa predicción, decidir si se debe realizar un consumo o no, optimizando el consumo.
La radiación solar que llega a un punto concreto puede calcularse con un modelo de transferencia radiativa (RTM) siempre que se conozcan los componentes atmosféricos, siendo los más determinantes las nubes y los aerosoles. Los aerosoles suelen distribuirse homogéneamente, su concentración y propiedades varían suavemente con el tiempo, y su impacto sobre la radiación solar global es menor. Sin embargo, las nubes tienen una variabilidad temporal y espacial mucho más acusada y suelen tener un impacto mayor sobre la radiación solar pudiendo reducir o aumentar drásticamente su valor.
El objetivo principal de este trabajo es desarrollar y aplicar una nueva metodología, escalable y funcional, para la predicción del recurso energético solar a corto plazo en cualquier instalación fotovoltaica y/o térmica de una ciudad, siendo de gran utilidad para realizar un consumo más eficiente de la energía en estas zonas. Aunque por cuestiones prácticas esta metodología se va a implementar en primera instancia en una ciudad concreta (Valladolid, España), su diseño es escalable a cualquier otro entorno urbano.
Para llevar a cabo este objetivo, primero se va a hacer un montaje experimental en el que se van a instalar un total de 25 cámaras de cielo por todo Valladolid para poder tener cubierta la ciudad manteniendo una distancia entre cámaras de 2 km. Con este dispositivo se van a desarrollar una serie de algoritmos capaces de detectar las nubes presentes en el cielo a partir de las imágenes obtenidas con las cámaras. Utilizando imágenes tomadas en el mismo instante por distintas cámaras, se podrá calcular la altura de las nubes mediante estereoscopía. Este método permitirá ubicar cada nube de forma tridimensional en el espacio. Observando la variación temporal de este mapa 3D de nubes, se dará una predicción de este mapa a corto plazo. También se intentará obtener este mapa 3D de nubes prediciendo las imágenes de cielo con un algoritmo de inteligencia artificial. Este mapa 3D de nubes predicho en conjunto con una serie de parámetros atmosféricos, como el espesor óptico de aerosoles, obtenidos de otras fuentes, serán introducidos como parámetros de entrada en un modelo RTM 3D (Mystic/libRadtran) para calcular la radiación solar que llegará a diversos puntos de la ciudad. Estos valores se validarán con medidas independientes de 4 piranómetros que se instalarán en distintos puntos.
El impacto socioeconómico de este proyecto será muy alto ya que, si se consigue predecir el recurso solar en una instalación fotovoltaica de autoconsumo, se podrá predecir la cantidad de energía que se va a producir y, por tanto, se podrá optimizar su consumo, reduciendo el gasto económico derivado del consumo de otras fuentes de energía. Este ahorro económico va ligado a una reducción de la huella de carbono en favor de la transición ecológica.