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La radiación solar entrante (insolación) procede del sol, se modifica al viajar por la atmósfera, se modifica aún más por efecto de la topografía y las características de la superficie y es interceptada por la superficie terrestre como componentes directo, difuso y reflejado. La radiación directa se intercepta sin impedimentos en línea recta desde el sol. La radiación difusa es dispersada por los constituyentes atmosféricos, como las nubes y el polvo. La radiación reflejada se refleja desde las entidades de superficie. La suma de radiación directa, difusa y reflejada se denomina radiación solar total o global.
En general, la radiación directa es el mayor componente de la radiación total y la radiación difusa es el segundo componente más grande. La radiación reflejada generalmente constituye una pequeña proporción de la radiación total, salvo por las ubicaciones rodeadas por superficies altamente reflectantes, como una capa de nieve. Las herramientas de radiación solar no incluyen la radiación reflejada en el cálculo de la radiación total. Por consiguiente, 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 enteras. Esto supone cuatro pasos:
- Cálculo de una cuenca visual hemisférica hacia arriba basada en la topografía.
- Superposición de la cuenca visual en un mapa solar directo para hacer una estimación de la radiación directa.
- Superposición de la cuenca visual en un mapa celeste difuso para hacer una estimación de la radiación difusa.
- Repetición del proceso para cada ubicación de interés con el fin de producir un mapa de insolación.
Como la topografía y las entidades de la superficie pueden afectar en gran medida a la radiación, un componente clave del algoritmo de cálculo requiere que se genere una cuenca visual hemisférica hacia arriba para cada ubicación del modelo de elevación digital (DEM). Las cuencas visuales hemisféricas son similares a las fotografías hemisféricas (ojo de pez) hacia arriba, en las que se ve todo el cielo desde el suelo de forma similar a como se ve en un planetario. La cantidad de cielo visible desempeña un papel importante en la insolación en una ubicación. Por ejemplo, un sensor situado a campo abierto recibe una irradiación solar mayor que otro situado en cañón profundo.
En la imagen siguiente aparece una fotografía hemisférica hacia arriba en la que se ofrece una vista del cielo visible y las direcciones celestes obstruidas por la topografía y las entidades de la superficie circundantes. Es similar a la vista que tendría al mirar hacia arriba desde el suelo en todas las direcciones.
Cálculo de cuenca visual
La cuenca visual es una representación ráster de todo el cielo que está visible u obstruido cuando se mira desde una ubicación particular. Se calcula buscando un número específico de direcciones en torno a una ubicación de interés y determinando el ángulo máximo de obstrucción del cielo, o ángulo de elevación con relación al horizonte. Se interpolan ángulos de elevación con relación al horizonte para el resto de direcciones que no se exploran. A continuación, los ángulos de elevación con relación al horizonte se convierten a un sistema de coordenadas hemisféricas, representando así un hemisferio tridimensional de las direcciones como una imagen de ráster bidimensional. A cada celda ráster de la cuenca visual se asigna un valor en función de si el cielo está visible u obstruido en esa dirección. Las ubicaciones de celdas de salida (fila y columna) corresponden al ángulo cenital θ (ángulo recto hacia arriba) y al ángulo acimutal α (ángulo con relación al norte) en el hemisferio de direcciones.
En la figura siguiente se muestra el cálculo de una cuenca visual correspondiente a una celda de un DEM. Los ángulos de elevación con relación al 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 distingue si el cielo está visible (se muestra en blando) u obstruido (se muestra en gris) en las distintas direcciones. La cuenca visual aparece superpuesta en una fotografía hemisférica para demostrar la teoría.
Las cuencas visuales se utilizan junto con la información sobre la posición del sol y la dirección del cielo (representada por un mapa solar y un mapa celeste, respectivamente) para calcular la radiación directa, difusa y total (directa + difusa) de cada ubicación y generar un mapa de insolación preciso.
Cálculo de mapa solar
La radiación solar directa que procede de cada dirección del cielo se calcula mediante el uso de un mapa solar en la misma proyección hemisférica que la cuenca visual. El mapa solar es una representación ráster que muestra la trayectoria del sol o la posición aparente del sol con el paso de las horas del día y los días del año. Es similar a mirar hacia arriba y ver cómo se desplaza la posición del sol en el cielo durante un periodo de tiempo. El mapa solar consta de sectores discretos definidos por la posición del sol a intervalos particulares durante el día (horas) y el momento del año (días o meses). La trayectoria solar se calcula en función de la latitud del área de estudio y la configuración de tiempo que define los sectores del mapa solar. Para cada sector del mapa solar se especifica un valor de identificación único junto con el ángulo acimutal y cenital del centroide. La radiación solar que procede de cada sector se calcula por separado y la cuenca visual se superpone en el mapa solar para el cálculo de la radiación directa.
En la figura siguiente se muestra un mapa solar correspondiente a una latitud norte de 45º calculado desde el solsticio de invierno (21 de diciembre) hasta el solsticio de verano (21 de junio). Cada sector solar (cuadro de color) representa la posición del sol usando intervalos de 1/2 horas a lo largo del día e intervalos mensuales a lo largo del año. Debe tenerse en cuenta que la imagen tiene la misma proyección hemisférica que las cuencas visuales hacia arriba. Se representa la posición del sol al moverse por el cielo a lo largo del día y del año.
Cálculo de mapa celeste
La radiación difusa procede de todas las direcciones del cielo a consecuencia de la dispersión de los componentes atmosféricos (nubes, partículas, etc.). Para calcular la radiación difusa de una ubicación determinada, se crea un mapa celeste para representar una vista hemisférica de todo el cielo dividida en una serie de sectores del cielo definidos por los ángulos cenital y acimutal. A cada sector se asigna un valor identificador único junto con el ángulo acimutal y cenital del centroide. Se calcula la radiación difusa de cada sector celeste según la dirección (cénit y acimut).
En la figura siguiente se muestra un mapa celeste con sectores celestes definido por 8 divisiones cenitales y 16 divisiones acimutales. Cada color representa un sector celeste único, o una porción del cielo, en la que se origina la radiación difusa.
Superposición de mapa solar y mapa celeste en la cuenca visual
Durante el cálculo de insolación, en el ráster de cuenca visual se superponen los rásteres de mapa solar y mapa celeste para calcular la radiación difusa y directa recibida desde cada dirección del cielo. La proporción de área del cielo visible en cada sector se calcula dividiendo el número de celdas sin obstruir entre el número total de celdas de cada sector. Se admiten los sectores del cielo parcialmente obstruidos.
En la figura siguiente se muestra la superposición de una cuenca visual en un mapa solar y un mapa celeste. El color gris representa las direcciones del cielo obstruidas. La radiación solar se calcula sumando la insolación directa y difusa que procede de las direcciones del cielo despejadas.
Más información sobre las ecuaciones utilizadas en el cálculo de la radiación solar