Modelar la radiación solar
La radiación solar entrante (insolación) se origina a partir del sol; se modifica a medida que recorre la atmósfera; se modifica más por las entidades de superficie y topografía; y se intercepta en la superficie de la tierra como componentes directos, difusos, y reflejados. La radiación directa se intercepta sin dificultades en una línea directa desde el sol. La radiación difusa se dispersa por componentes atmosféricos, como nubes y polvo. La radiación reflejada se refleja desde entidades de superficie. La suma de la radiación directa, difusa y reflejada se denomina radiación solar total o global.
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La radiación solar entrante es interceptada como componentes directos, difusos o reflejados. |
En general, la radiación directa es el componente más grande de la radiación total y la radiación difusa es el segundo componente más grande. En general, la radiación reflejada constituye sólo una pequeña proporción de la radiación total, excepto para las ubicaciones rodeadas por superficies altamente reflexivas como la cobertura de nieve. Las herramientas de radiación solar en ArcGIS Spatial Analyst no incluyen la radiación reflejada en el cálculo de la radiación total. Por lo tanto, la radiación total se calcula como la suma de la radiación directa y difusa.
Las herramientas de radiación solar pueden realizar cálculos para ubicaciones de punto o para áreas geográficas completas. Esto implica cuatro pasos:
- El cálculo de una cuenca visual hemisférica que mira hacia arriba basada en la topografía.
- La superposición de la cuenca visual en un mapa solar directo para calcular la radiación directa.
- La superposición de la cuenca visual en un mapa celeste difuso para calcular la radiación difusa.
- El proceso se repite para cada ubicación de interés para producir un mapa de insolación.
Como la radiación se puede ver muy afectada por la topografía y las entidades de superficie, un componente clave para el cálculo de algoritmos requiere la generación de una cuenca visual hemisférica que mira hacia arriba para cada ubicación en el modelo digital de elevación (DEM). Las cuencas visuales hemisféricas son similares a las fotografías hemisféricas (ojo de pez) que miran hacia arriba, que visualizan todo el cielo desde el suelo, en forma parecida a la vista en un planetario. La cantidad de cielo visible juega un rol importante en la insolación en una ubicación. Por ejemplo, un sensor ubicado en un campo abierto tiene una insolación más alta que un sensor ubicado en un cañón profundo.
La siguiente imagen muestra una fotografía hemisférica tomada desde arriba, que ofrece una vista del cielo visible y las direcciones del cielo obstruidas por las entidades de superficie y la topografía circundante. Es similar a la vista que se obtiene desde el piso al mirar hacia arriba en todas las direcciones.
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Fotografía hemisférica (ojo de pez) |
Cálculo de cuenca visual
La cuenca visual es una representación de ráster de todo el cielo que está visible u obstruido cuando se observa desde una ubicación en particular. Para calcular una cuenca visual se realiza una búsqueda en un número específico de direcciones alrededor de una ubicación de interés y se determina el ángulo máximo de obstrucción en el cielo o el ángulo del horizonte. Para todas las otras direcciones sin búsqueda, se interpolan los ángulos del horizonte. Los ángulos del horizonte se convierten en un sistema de coordenadas hemisféricas, y así, representan un hemisferio de direcciones tridimensional como una imagen ráster bidimensional. Cada celda ráster de la cuenca visual tiene un valor asignado que corresponde a si la dirección del cielo está visible u obstruida. Las ubicaciones de celda de salida (fila y columna) corresponden al ángulo cénit θ (ángulo relativo a la pendiente recta) y el ángulo acimutal α (ángulo relativo al norte) en el hemisferio de direcciones.
La siguiente figura muestra el cálculo de la cuenca visual para una celda de un DEM. Los ángulos del horizonte se calculan a lo largo de un número específico de direcciones y se utilizan para crear una representación hemisférica del cielo. La cuenca visual resultante caracteriza si las direcciones del cielo están visibles (aparecen en color blanco) u obstruidas (aparecen en color gris). La cuenca visual aparece superpuesta en una fotografía hemisférica para demostrar la teoría.
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Ilustración de ángulos horizontales, cuencas visuales resultantes y cuencas visuales representadas cartográficamente en la vista del cielo |
Las cuencas visuales se utilizan junto con información de la posición solar y la dirección del cielo (se representan por un mapa solar y un mapa celeste, respectivamente) para calcular la radiación directa, difusa y total (directa + difusa) para cada ubicación y para producir un mapa de insolación preciso.
Cálculo del mapa solar
La radiación solar directa que se origina de una dirección del cielo se calcula utilizando un mapa solar en la misma proyección hemisférica que la cuenca visual. Un mapa solar es una representación ráster que muestra el recorrido solar o la posición aparente del sol cuando varía en las horas del día y en los días del año. Esto es parecido a cuando mira hacia arriba y observa cómo se mueve la posición del sol en el cielo en un período de tiempo. El mapa solar comprende sectores del mapa solar discretos que se definen según la posición del sol en intervalos determinados durante el día (horas) y el período del año (días o meses). El recorrido del sol se calcula en base a la latitud del área de estudio y la configuración del tiempo que define sectores del mapa solar. Para cada sector del mapa solar, se especifica un valor de identificación único, junto con el ángulo de cénit centroide y el ángulo acimutal. La radiación solar que se origina desde cada sector se calcula de forma separada, y la cuenca visual se superpone en el mapa solar para el cálculo de la radiación directa.
La siguiente figura es un mapa solar para una latitud de 45° N desde el solsticio de invierno (21 de diciembre) al solsticio de verano (21 de junio). Cada sector solar (cuadro de color) representa la posición del sol mediante intervalos de 1/2 hora en el día e intervalos mensuales en el año. Es necesario recordar que la imagen está en la misma proyección hemisférica que las cuencas visuales que miran hacia arriba. La posición del sol se representa según su movimiento en el cielo durante el período del día y el período del año.
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Ejemplo de mapa solar |
Cálculo del mapa celeste
La radiación difusa se origina desde todas las direcciones del cielo como resultado de la dispersión de componentes atmosféricos (nubes, partículas y más). Para calcular la radiación difusa de una ubicación en particular, se crea un mapa celeste para representar una vista hemisférica de todo el cielo dividida en una serie de sectores del cielo por ángulos de cénit y acimutales. A cada sector se le asigna un único valor de identificación, junto con ángulos de cénit centroide y acimutales. La radiación difusa se calcula para cada sector del cielo en base a la dirección (cénit y acimut).
La siguiente figura es un mapa celeste con sectores del cielo definidas por 8 divisiones de cénit y 16 divisiones de acimut. Cada color representa un único sector del cielo, o porción del cielo, desde donde se origina la radiación difusa.
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Ejemplo de mapa celeste |
Superposición de cuenca visual con mapa solar y mapa celeste
Durante el cálculo de la insolación, el ráster de cuenca visual se superpone con los rásteres del mapa solar y mapa celeste para calcular la radiación difusa y directa que se recibe desde cada dirección del cielo. La proporción del área de cielo visible en cada sector se calcula al dividir el número de celdas sin obstrucciones por el número total de celdas en cada sector. La tolerancia se realiza para los sectores del cielo obstruidos parcialmente.
La siguiente figura ilustra la superposición de una cuenca visual en un mapa solar y un mapa celeste. El color gris representa direcciones del cielo obstruidas. La radiación solar se calcula al sumar la insolación directa y difusa que se origina desde las direcciones del cielo sin obstrucciones.
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Más información sobre las ecuaciones que se utilizan en el cálculo de la radiación solar