TESIS DE POSTGRADO MAESTRIA EN ENERGÍAS RENOVABLES “CARACTERIZACIÓN Y ANÁLISIS ESTADÍSTICO DE LA RADIACIÓN SOLAR DIRECTA PARA APLICACIONES DE MEDIA Y ALTA TEMPERATURA EN ÁREAS CIRCUNDANTES AL OCP” Directora: Ing. Sandra Arla Msc. Autores: Johanna Martínez A. & Julio Asitimbay C. 08 de Mayo, 2015 J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

1. Introducción Objetivo general Caracterizar la radiación solar directa, en el área circundante al trayecto del Oleoducto de Crudos Pesado - OCP Ecuador S. A., utilizando las técnicas de la estadística descriptiva, para la implementación de aplicaciones de media y alta temperatura en beneficio de las comunidades cercanas. Alcance Determinar la radiación solar en las provincias de la región Norte del Ecuador por las que atraviesa el Oleoducto de Crudos Pesados - OCP ECUADOR S. A. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

2. Fundamento teórico La energía termo-solar se basa en el efecto térmico producido por los rayos del sol. En función del rango de aprovechamiento térmico se distinguen 3 tipos de energía termo-solar (eNGineering, 2011): De baja temperatura (< 80 °C) De media temperatura (80 – 250 °C) De alta temperatura (> 250 °C) Radiación solar global.- Suma de la radiación directa y de la radiación difusa (Pettazzi & Salsón, 2011). Irradiación (insolación).- Cantidad de energía solar que es recibida por unidad de superficie en un determinado intervalo de tiempo (Pettazzi & Salsón, 2011). Media aritmética para datos simples.- Medida de tendencia central que denota el promedio de un conjunto de datos. Se calcula dividiendo la suma del conjunto de datos entre el total de ellos (Asurza & Alejandro, 2006). J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

2. Fundamento teórico “Mes peor”.- Son los valores medios mensuales de irradiación global diaria sobre plano horizontal [kW/m2 x día] (Ingeniería Sin Fronteras, 1999). - Este método en la Estadística Descriptiva corresponde a la Media aritmética. “Día tipo”.- Día teórico que presentaría un comportamiento medio representativo del mes (Jutglar, 2004): Meses N para el i-ésimo día del año Día típico Declinación Enero i 17 -20,7 Febrero 31+i 15 -12,6 Marzo 59+i 16 -1,7 Abril 90+i 18,9 Mayo 120+i 9,8 Junio 151+i 10 23,0 Julio 181+i 21,2 Agosto 212+i 13,4 Septiembre 243+i 2,6 Octubre 273+i -8,9 Noviembre 304+i -18,5 Diciembre 334+i 11 -23,0 J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

Estación Met. Automática de OCP – Vantage Pro2 3. Estado del arte La radiación solar global puede ser determinada por: Observaciones en superficie (terreno) Observaciones desde satélite geoestacionario (Ej. NASA) Uso de programa informático (Ej. Censol) Aplicación de modelo matemático (Ej. Angström-Page) Datalogger de la EMA Estación Met. Automática de OCP – Vantage Pro2 J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

3. Estado del arte J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

4. Metodología La determinación de la radiación solar global en el área de estudio través de 4 procedimientos distintos: Observaciones en superficie por estaciones meteorológicas – OCP Observaciones por satélite – NASA Estimaciones por software – CENSOLAR Estimaciones por modelo matemático – ANGSTRÖM & PAGE El análisis estadístico (media mensual – “mes peor” y anual). El resultado de la radiación solar diaria para cada estación meteorológica OCP fue contrastada con el método del “día tipo” de Jutglar (2004). J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

5. Área de estudio El oleoducto de crudos pesados (OCP Ecuador S. A.) se extiende 485 km en dirección Oeste – Este por 11 cantones y 4 provincias el norte de Ecuador: Lago Agrio, Cascales y Gonzalo Pizarro de la provincia de Sucumbíos El Chaco y Quijos de la provincia de Napo Quito, San Miguel de los Bancos, Pedro Vicente Maldonado y Puerto Quito de la provincia de Pichincha Rosa Zárate (Quinindé) y Esmeraldas de la provincia de Esmeraldas J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

5. Área de estudio J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015 Descripción de las estaciones meteorológicas automáticas del OCP Código de la estación OCP Coordenadas geográficas WGS 84 Cota (m s.n.m.) Parroquia Cantón Provincia Latitud Longitud PS1 0° 5' 59'' -76° 55' 7'' 305 Nueva Loja Lago Agrio Sucumbíos XV20002 0° 3' 31'' -77° 18' 50'' 419 Lumbaqui Gonzalo Pizarro PS2 -0° 1' 29'' -77° 26' 22'' 1028 El Reventador REVENTADOR -0° 2' 46'' -77° 31' 37'' 1428 XV20004 -0° 9' 2'' -77° 38' 6'' 1254 Gonzalo Díaz de Pineda El Chaco Napo XV20006 -0° 13' 25'' -77° 43' 40'' 1854 Santa Rosa PS3 -0° 26' 11'' -77° 51' 22'' 1806 San Francisco de Borja Quijos PS4 -0° 22' 15'' -78° 6' 25'' 2863 Papallacta XV20010 -0° 8' 54'' -78° 19' 53'' 2464 Yaruquí Quito Pichincha PRS1 -78° 36' 49'' 2963 Nono PRS2 0° 4' 36'' -78° 58' 2'' 801 Pedro Vicente Maldonado XV20015 0° 9' 31'' -79° 13' 22'' 133 Puerto Quito ABS 0° 24' 8'' -79° 31' 28'' 99 Rosa Zárate Quinindé Esmeraldas XV20021 0° 39' 39'' -79° 32' 48'' 54 Viche MT 0° 56' 4'' -79° 43' 26'' 206 Vuelta Larga J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar global 6.1. Observaciones en superficie (Estaciones Met. OCP) La población de estudio está conformada por 62780 unidades estadísticas colectadas en el año 2013 (en el horario de 06H00 a 19H00), en las 15 estaciones meteorológicas automáticas instaladas en las facilidades del oleoducto de crudos pesados. En 3 estaciones del OCP no se contó con la totalidad de observaciones consecutivas, esto es el 4,65 % de los datos levantados en campo. Estos resultados estadísticos fueron contrastados con el método del “día tipo”. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.1. Observaciones en superficie (Estaciones Met. OCP) RESULTADOS (ejemplo con datos de 1 estación) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.1. Observaciones en superficie (Estaciones Met. OCP) RESULTADOS (área de estudio) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.2. Observaciones por satélite (NASA) La web de la NASA indica que el valor medio mensual de la radiación solar global incidente sobre una superficie horizontal en la Tierra durante un mes dado, corresponde al promedio para ese mes en el período de 22 años (desde julio 1983 hasta junio 2005). Cada valor promedio mensual se evalúa como la media numérica de valores cada 3 horas para el mes determinado. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.2. Observaciones por satélite (NASA) RESULTADOS (ejemplo con datos de 1 estación) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.2. Observaciones por satélite (NASA) RESULTADOS (área de estudio) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.3. Estimaciones por software (CENSOLAR) CENSOLAR “Centro de Estudios de la Energía Solar” o “Solar Energy Training Centre” aparece en 1979 como el primer Centro Internacional para la formación técnica de especialistas en energía solar y difusión de las tecnologías del uso de ésta forma limpia de energía, tanto térmica como fotovoltaica (Calvache & Verdugo, 2011). CENSOL es un programa informático de acceso libre desarrollado por CENSOLAR, herramienta que estima la radiación solar en referencia a la latitud más cercana al sitio de estudio. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.3. Estimaciones por software (CENSOLAR) RESULTADOS (área de estudio) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.4. Estimaciones por modelo matemático (Angström - Page) El procedimiento consiste en hacer uso de varias ecuaciones correlacionadas entre sí, para calcular la radiación extraterrestre (He) según la ubicación geográfica del del área de interés y el día tipo de cada mes del año. A continuación se utiliza la ecuación de Page para determinar la radiación sobre superficie horizontal (Ho) (adaptado de: Suntaxi, 2014). (6.1) donde: Ho es la irradiación global diaria, media mensual sobre una superficie situada bajo la atmósfera, nreal son las horas de insolación, a y b son coeficientes que dependen del tipo de clima, para el caso Ecuador se tienen los valores: Región a b Sierra 0,25 0,45 Costa 0,28 0,54 J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.4. Estimaciones por modelo matemático (Angström - Page) RESULTADOS (ejemplo con datos de 1 estación) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar 6.4. Estimaciones por modelo matemático (Angström - Page) RESULTADOS (área de estudio) J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

6. Caracterización de la radiación solar global 6.5. Contraste de resultados del área de estudio J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

7. Caracterización de la radiación solar directa J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

8. Conclusiones 1. La representatividad del “día tipo” en la estimación de radiación con el análisis estadístico de observaciones, es limitada, existiendo diferencias entre el promedio observado y el día tipo cercanas a 2 [kWh/m2 día]. 2. El análisis estadístico de observaciones en superficie, determina que el recurso solar promedio anual sea menor en alrededor de 1 [kWh/m2 día], comparado con el modelo matemático de Angström-Page, programa informático CENSOLAR, y tratamiento de imágenes satelitales NASA. 3. La utilización del modelo matemático para la estimación de la radiación en locaciones donde no se posea información, es una aproximación en extremo optimista para el norte de Ecuador que es la latitud objeto del estudio. La presencia de microclimas, vegetación, nubosidad, variables climáticas impredecibles ocasionan que el recurso solar sea menor al estimado matemáticamente. 4. La comparación de las observaciones en superficie y los resultados obtenidos de la NASA indican que el tratamiento de imágenes satelitales que genera la información de la radiación para un sitio es tan amplio que puede abarcar de 2 a 3 estaciones met. OCP, descartando la existencia de microclimas que ocasionan variaciones en la estimación. 5. La orografía del ecuador, específicamente la zona en donde se encuentra instalada la red meteorológica de OCP, determina que la información levantada en campo, en ciertas áreas no llega a trasponerse entre estaciones. Esto según la OMM y el criterio de representatividad de las observaciones de una estación meteorológica. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

8. Conclusiones 6. De los 15 sitios analizados, la parroquia de Yaruquí (provincia de Pichincha) presenta el mayor potencial de radiación solar global con 4,61 kWh/m2/día, seguido de Lumbaqui (Sucumbíos), San Francisco de Borja (Napo), Papallacta (Napo), y Nueva Loja (Sucumbíos), con 3.65, 3.47, 3.46 y 3.42 kWh/m2/día. Estos sitios corresponden a los de interés para el aprovechamiento del recurso solar con aplicaciones de media y alta temperatura. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015

A nuestros docentes por su infinito apoyo, en especial al Ing A nuestros docentes por su infinito apoyo, en especial al Ing. José Guasumba, por ser el mentor de este postgrado. J. Martínez A. & J. Asitimbay C., 05/2015