ENERGIAS RENOVABLES

1. XXI Simposio Peruano de Energía Solar y del Ambiente (XXI- SPES), Piura, 10 -14.11.2014
CARACTERIZACIÓN Y MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR EN LA
REGIÓN DE ARICA Y PARINACOTA, CHILE, A PARTIR DE IMÁGENES
SATELITALES
Lorena Cornejo Ponce – lorenacp@uta.cl, lorenacornejop@gmail.com
Laboratorio de Investigaciones Medioambientales de Zonas Áridas, LIMZA, Universidad de Tarapacá, Chile
Solar Energy Research Center (SERC) – Chile
Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto, CIHDE, Chile
Patricia Palenzuela – patricia.palenzuela@psa.es
CIEMAT-Plataforma Solar de Almería, Ctra. De Senés s/n, 04200 Tabernas, Almería, Spain
Hugo Lienqueo Aburto – hlienqueo@cihde.cl
Jorge Acarapi Cartes – jacarapi@cihde.cl
María Arenas Herrera - mherrera@cihde.cl
Patricia Vilca Salinas - pvilca@cihde.cl
Centro de Investigaciones del Hombre en el Desierto, CIHDE, Chile
Resumen. En Chile, existe una casi nula explotación del recurso solar, a pesar de disponer de uno de los recursos mas
elevados del mundo especialmente en la zona norte. No obstante, la energía solar está haciéndose cada vez más
popular en nuestro país, donde autoridades del gobierno y la industria estudian las vías más adecuadas para la
generación de electricidad mediante energía solar a través de la implantación de plantas termosolares en el desierto.
Esto además supone un gran potencial para el principal eje eje económico de Chile, que es la industria minera. El
objetivo de este trabajo es la presentación de los resultados obtenidos a partir de la construcción de un mapa solar de
la región de Arica y Parinacota basado en estimaciones de radiación solar directa normal (DNI) a partir de imágines
satelitales de un periodo de 10 años, cálculos apoyados por IRSOLAV. Dichos datos serán calibrados en trabajos
futuros, mediante medidas de radiación solar que están siendo obtenidos de estaciones de monitoreo que han sido
instaladas a diferentes cotas.
A partir de los resultados obtenidos, se concluyó que los mayores niveles de radiación solar directa se obtienen en los
meses de abril, septiembre y noviembre (310, 321 y 323 kWh/m2
mes, respectivamente), y el valor mínimo (139 kWh/m2
mes), se observa en el mes de julio, coincidiendo con uno de los meses de menor temperatura ambiente. Además, se
obtuvieron valores de radiación solar directa por encima de 2800 kWh/m2
por año para algunos emplazamientos, que
son mayores incluso que los estimados para áreas del Norte de África donde se pretende el desarrollo del proyecto
Desertec, lo que indica el alto potencial de esta región para el uso de la energía solar para generación de electricidad.
Palabras-clave: Mapa Solar, Energía Solar, Región de Arica y Parinacota, CIEMAT
1. INTRODUCCIÓN
Dentro de las metas del gobierno de Chile, se espera para los próximos años crecer en promedio a una tasa del 6% al
año, lo que exigiría prácticamente duplicar la disponibilidad de energía para el año 2020. Considerando esta proyección,
el actual modelo eléctrico basado en hidroeléctricas y combustibles fósiles donde las inversiones las realiza el sector
privado, depende de muchos factores que ponen en riesgo esta meta, entre las que se pueden mencionar riesgo por
sequías, riesgo geopolítico y crisis del gas, alza en precios internacionales, contaminación y preocupación por el medio
ambiente y salud de la población, desafíos frente al cambio climático y; autorizaciones y desarrollo de proyectos.
Considerando estos posibles escenarios, el Gobierno plantea como meta que el 20% de la capacidad instalada de
generación eléctrica para el 2020 tenga lugar mediante energías renovables no convencionales “ERNC”.
Debido a los avances alcanzados en los últimos años, las tecnologías solares son cada vez más competitivas, lo que
beneficia en gran medida a la industria minera, que necesita de forma urgente nueva capacidad para la ampliación de
proyectos con una fuente de energía limpia que podría compensar las emisiones de CO2 de una nueva generación de
plantas a carbón.
Geográficamente, Chile dispone de una amplia área en el norte donde los niveles de radiación solar son muy altos,
coincidiendo además esto con que es la zona más importante en cuanto actividad económica minera que aporta mayores
ingresos al PIB nacional y que hoy día requiere una gran cantidad de energía.

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La figura 1, muestra los niveles de radiación solar anual A este nivel de detalle, Chile no parece un lugar especialmente
propicio para desarrollar la energía solar, eclipsado por las grandes áreas oscuras del Sahara, del desierto del Kalahari y
de Australia.
Figura 1. Promedio anual de radiación solar mundial (W/m2
)
Sin embargo, una figura con tan bajo nivel de resolución esconde una realidad muy distinta: algunas áreas del norte de
Chile presentan los mayores índices de radiación solar del mundo.
La tabla 1 muestra la radiación en los cinco desiertos seleccionados entre los lugares de mayores índices de radiación
solar del mundo. En ellos, destaca el desierto de Atacama como el número uno, por ser un lugar del planeta, donde
existe menor superficie e inversión para generar una unidad de energía.
Tabla 1. Radiación en distintos lugares del mundo (Bishop y Rossow, 1991)
Ubicación / Desierto Radiación (W/m2
) km2
para generar 3 TW
Africa, Sahara 260 144,2
Australia, Great Sandy 265 141,5
Medio oriente, Arábigo 270 138,9
Chile, Atacama 275 136,4
EE.UU.., Great Basin 220 170,5
Además de lo anterior, el norte de Chile concentra gran parte de los yacimientos mineros del país, requiriendo grandes
cantidades de energía para su funcionamiento. La existencia en la región de más de 3.000 horas de sol al año, radiación
por sobre los (DNI) 3.000 KWh/m2
/año (radiación directa normal) y con grandes extensiones de terrenos planos son las
ventajas para la implementación de centrales solares. Así mismo, la energía solar en el largo plazo, disminuye la
dependencia de combustibles fósiles, contribuye a mitigar las emisiones de CO2 y valora una identidad regional como
es el Sol.
Los valores de irradiancia pueden variar sensiblemente de una localización a otra debido a múltiples factores que
determinan la existencia de microclimas, definidos por la orografía extremadamente compleja en las zonas de
precordillera y cordillera en la región, por tanto en trabajos futuros, las mediciones de radiación solar directa cálculadas
satelitalmente serán calibradas con las mediciones que están siendo actualmente obtenidas con estaciones de monitoreo
instaladas a diferentes cotas (e.a 1.000, 2.000, 4.000 metros altitud), permitiendo definir y unificar metodologías de
medición de la radiación en la región. Los cálculos de estimacioes de radiación solar directa normal (DNI) fueron
apoyados por IRSOLAV, spin-off creada bajo el alero del CIEMAT en España.
El objetivo de este trabajo fue analizar y procesar datos levantados por satélite a fin de establecer zonas con distintas
frecuencias de radiación solar para generar un mapa solar que de insumos básicos para la instalación de nuevas
inversiones, que genere un desarrollo y financiamiento de la energía termosolar en Chile.

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2. METOLOGÍA
2.1 Área de estudio
Los datos de radiación solar fueron recolectados en la región de Arica y Parinacota, cuya superficie es 16.898,6 km2
, lo
que representa el 2.24 % de la superficie del país. La región está dividida administrativamente en dos Provincias: Arica
y Parinacota y cuatro comunas: Arica, Camarones, Putre y General Lagos.
2.2 Metodología
2.1.1 Estimación radiación solar a partir de satélite
La estimación de radiación solar a partir de imágenes de satélite se realiza a partir del denominado modelo Heliosat-3
modificado, desarrollado y validado en CIEMAT e IRSOLAV sobre una treintena de estaciones radiométricas ento el
mundo.
La metodología de IRSOLAV utiliza dos entradas principales para calcular la irradiancia solar horaria: las imágenes de
satélite geoestacionario y la información sobre las propiedades atenuadoras de la atmósfera. La primera entrada consiste
en una imagen por hora ofreciendo información en las características de la cobertura nubosa. El segundo es básicamente
información del índice de turbidez de Linke diario o mensual correspondiente a cada pixel de la imagen del satélite
geoestacionario.
Utilizando esta información como entrada, el modelo de IRSOLAV combina diferentes paquetes para estimar series
temporales horarias de radiación global horizontal y normal directa. Los diferentes paquetes tienen en cuenta el cálculo
del índice de cielo claro como función de las características de la cobertura nubosa, el modelo para la selección e
identificación de las condiciones de cielo claro, el modelo para la conversión de radiación global horizontal en directa
normal y el modelo de transmitancia para el cálculo de la radiación solar bajo condiciones de cielo claro (Zarzalejo et
al., 2005; Polo et al., 2006; Polo J. et al., 2008; Zarzalejo et al., 2009; Polo et al., 2009).
2.1.2 Tratamiento de imágenes de satélite para el cálculo de la radiación
La utilización de imágenes de satélite para el cálculo de la radiación solar, se basa en la utilización de relaciones entre la
radiación solar en la superficie terrestre y un coeficiente de cobertura nubosa estimado a partir de las imágenes de
satélite. Esta relación se ajusta previamente, utilizando datos de estaciones terrestres y resultados del coeficiente de
cobertura nubosa en los píxeles (puntos de la imagen) a que corresponden los datos medidos.
3. RESULTADOS Y DISCUSION
Los mapas que se muestran en las siguientes figuras son el resultado de la aplicación de la metodología de estimación
satelital anteriormente mencionada. Mediante dicha metodología, se ha obtenido valores del promedio anual de
irradiancia solar directa normal correspondiente al periodo 2000-2010:

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Figura 2. Mapas anuales de DNI (kWh/m2
año) sobre superficie horizontal para el periodo (2000-2010).
Se debe señalar que se ha utilizado imágenes del satélite GOES, cuya resolución espacial es de alrededor de 1x1km en
el nadir. Por otro lado, se dispone de valores diarios de AOD (espesor óptico de aerosoles) a 550 nm y valores de la
columna de vapor de agua (WP) tomados a partir de la base de datos de MODIS mediantes los satélites Terra y Aqua
(Acker y Leptoukh, 2007). La recopilación de los datos de MODIS diario ha demostrado en estudios previos, una mayor
precisión con relación a los datos de AERONET (Papadimas et al., 2009) teniendo en cuenta los mismos
procedimientos de estimación satelital. Mediante estos parámetros de entrada se ha creado una malla de valores de
turbidez diarios, en base al índice de turbidez de Linke (TL), con una resolución de 1x1º teniendo en cuenta la
metodología de P. Ineichen (Ineichen, 2008).
A partir del procesamiento realizado se destacan los siguientes puntos:
1. Para cada zona de 1º de resolución se observa una relativa variación de valores de DNI. Esto es debido a la
resolución de la base de datos de turbidez de Linke (1x1º ~ 100x100km). Para ciertos años existe una gran
diferencia en el contenido de aerosoles en la atmósfera para la zona próxima a la costa y la zona del interior
(ejemplo: figuras 2, año 2001 y 2006).
2. Los valores de DNI recogidos en el mapa no son espacialmente uniformes en algunas zonas, principalmente en
la región de salar de Surine que presenta una alta reflectividad distorsionando las estimaciones satelitales.
En la tabla 2 se muestra la variación de valores (mínimo, máximo y delta) anuales de DNI para el periodo de estudio. Se
puede observar que el año de 2005 presentó en algún punto el menor valor anual de DNI mientras el año de 2007 el
mayor. Hay que tener en cuenta que los valores expuestos en la tabla solo sirven como referencias de variación entre el
mínimo y el máximo valor anual de DNI estimado. Destacar que dichos valores no sirven como referencia de selección
de mejor o peor año de radiación ya que existen grandes diferencias de una zona a otra tal y como se puede observar en
las diferentes escalas de colores representadas en los mapas que se presentan en la figura 2.
Los valores anuales estimados por IRSOLAV son algo menores a los obtenidos por NASA y NREL (con resoluciones
espaciales de 2.5º y 0.5º respectivamente) al realizar una comparativa con las medias diarias. Este hecho puede deberse
a que IRSOLAV utiliza una base de datos de Aerosoles con una mayor precisión que los valores climatológicos
utilizados por NASA y NREL que representan de forma más fidedigna lo que ocurre en la realidad.

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Tabla 1. Variación anual de DNI de la región de Arica-Parinacota
DNI (kWh /m2
año)
AÑO MIN MAX ∆
2000 1408 2487 1079
2001 1450 2782 1332
2002 1964 2542 578
2003 1201 2519 1318
2004 1135 2387 1252
2005 1013 2282 1269
2006 1092 2408 1316
2007 1237 2891 1654
2008 1429 2675 1246
2009 1351 2568 1217
2010 1428 2815 1387
Figura 3. Mapa de la media anual de DNI (kWh/m2
año) sobre superficie horizontal 2000-2010
Es importante destacar el contenido de aerosoles en la atomósfera de Arica y Parinacota con valores mensuales de
turbidez (TL) medidos en la estación de Aeronet situada en Arica en torno a 5, equivalente a considerar una atmósfera
equivalente a 5 atmósferas con componentes atmosféricos de vapor de agua, ozono etc. Ideales. Este alto contenido de
aerosoles provoca una importante atenuación de la irradiancia solar directa normal. De hecho en otras regiones de Chile
más al Sur (entre latitudes -23º y -26º) se han estimado valores de DNI anuales en entorno a 3000 kWh/m2
día (ver
www.solarexplorer.info donde se muestran valores con resolución espacial de 0.5º). Cabe mencionar que el promedio
anual de DNI para el periodo de 2000-2010 en la región de Arica Parinacota fue de 2137 kWh/m2
día (Figura 3).
4. CONCLUSIÓN
De lo anteriormente expuesto podemos concluir que los promedios anuales de irradiancia solar directa normal
estimados mediante la aplicación de modelos satelitales en diferentes puntos de la zona de ARICA-PARINACOTA para
el periodo de 2000-2010 varía entre 1800 y 2800 kWh/m2
año. Además que la zona en la que se ha detectado los valores
más elevados de DNI anuales, de acuerdo con la metodología de estimación de IRSOLAV, fue la provincia de
Parinacota, principalmente el norte del altiplano andino. Por otro lado, los valores más bajos de DNI se detectaron en la
provincia de Arica, principalmente, en la zona de la costa.

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Agradecimientos
Los autores agradecen al Solar Energy Research Center (SERC) – Chile, a la Universidad de Tarapacá y al Centro
de Investigaciones del Hombre en el Desierto (CIHDE/CODECITE), al CIEMAT, IRSOLAV y EFFERGY.
REFERENCIAS
Acker, J. G. and Leptoukh, G., 2007. Online Analysis Enhances Use of NASA Earth Science Data. Eos, Trans. AGU.
Vol. 88, 14-17.
Ineichen, P., 2008. Conversion function between the Linke turbidity and the atmospheric water vapor and aerosol
content. Solar Energy. 82, 1095-1097.
Papadimas, C. D., Hatzianastassiou, N., Mihalopoulos, N., Kanakidou, M., Katsoulis, B. D. and Varddavas, I., 2009.
Assessment of the MODIS Collections C005 annd C004 aerosol optical depth products over the Mediterranean
basin. Atmospheric Chemistry and Physics., vol. 9, 2987-2999.
Polo, J., Zarzalejo, L.F., Cony, M., Navarro, A.A., Marchante, R. Martín, L. and Romero, M., 2011. Solar radiation
estimations over India using Meteosat Satellite Images. Solar Energy SE-D-10-00443R4.
Polo, J., 2009. Optimización de modelos de estimación de la radiación solar a partir de imágenes de satélite. PhD
presented at Universidad Complutense de Madrid.
Polo, J., Zarzalejo, L. F., Martin, L., Navarro, A. A. and Marchante, R., 2009. Estimation of daily Linke turbidity factor
by using global irradiance measurements at solar noon. Solar Energy., vol. 83, 1177-1185.
Zarzalejo, L. F., Polo, J., Martín, L., Ramírez, L. and Espinar, B., 2009. A new statistical approach for deriving global
solar radiation from satellite images. Solar Energy. Vol. 83, 480-484.
Zarzalejo, L. F., 2005. Estimación de la irradiancia global horaria a partir de imágenes de satélite. Desarrollo de
modelos empíricos. PhD presented at Universidad Complutense de Madrid.
CHARACTERIZATION AND MEASUREMENT OF SOLAR RADIATION BY SATELLITE IMAGES IN ARICA
AND PARINACOTA REGION, CHILE
Abstract.
In Chile, there is almost no exploitation of solar resource, despite its high potential especially in the north of the
country, being almost highest in the world. However, solar energy is becoming increasingly popular in our country,
where government officials and industry are searching for the most appropriate ways to generate electricity out of solar
energy throughout projects of thermo solar plants installation in the desert. This also represents a great potential for the
main Chilean economic hub which is the mining industry. The purpose of this article is to present the results obtained
from the solar map construction in Arica and Parinacota region, based on direct normal solar radiation estimations
(DNI) from the satellite images during a 10-years period; calculations are supported by IRSOLaV. These data will be
calibrated in future work, using solar radiation measurements that are being obtained from monitoring stations that have
been installed at different heights. It was concluded that higher levels of solar direct radiation are obtained in the
months of April, September and November (310, 321 and 323 kWh/m2
month, respectively), and the minimum value
(139 kWh/m2
• month), is observed in July, coinciding with one of the months of lower ambient temperature.
Furthermore, values of direct solar radiation above 2800 kWh / m2
per year were obtained for some sites, which is even
higher than results estimated for areas of North Africa where the Desertec project will be implemented, thus showing
high potential of this region for the use of solar energy for electricity generation.
Key words: Solar Map, Solar Energy, Arica and Parinacota region, CIEMAT