Determinación y análisis espacio temporal de la radiación solar global en el Altiplano de Puno
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Determinación y análisis espacio temporal de la
radiación solar global en el Altiplano de Puno
Lelia Quispe Huamán Guina Sotomayor Alzamora
E. P. Ciencias Físico Matemáticas E. P. Ingeniería de Sistemas
Universidad Nacional del Altiplano Universidad Nacional del Altiplano
Puno, Perú Puno, Perú
leliaqh1@gmail.com guinas@gmail.com
Abstract— The Peruvian weather does not correspond to its geographical location, that’s due to two fundamental factors, the Andean mountain
range and the Peruvian current, for this reason, it is important to know the behavior of the global solar radiation in some regions of Peru, due to
the lack of information about that. This work had been as objetive to explain the global solar radiation determination process and to analyze its
behavior in the Altiplano of Puno, at the 2007 to 2013 period, in the Circunlacuste, Puna Humeda and Clima de altura areas. The Bristow and
Campbell model has been proposed to estimate the daily solar radiation of daily extreme temperatures data recorded by the National
Meteorology and Hydrology Service (SENAMHI)-Puno and the maximum atmospheric transmittance estimated with the Meteorological Station
data of the Mathematical Sciences career of the Universidad Nacional del Altiplano. The database that generates this model allows to obtain a
maximum and minimum annual average value, in this work were maximum 7.2984 KWh / m 2 in Masocruz and minimum in Juli; there
values are higher of 4KWh / m2 , indicated by the Latin American Energy Organization and are profitable for solar energy applications such as
a solar thermal collectors, photovoltaic modules and bioclimatic houses. In addition, they transform solar energy into thermal or electrical
energy, which could help to solve problems as cold or frost hat are faced by residents, animals and plants in the high Andean areas of the Puno
Region.
Keywords—Altiplano de Puno, Bristow y Campbell, solar energy, global radiation solar, high temperature, low temperature, maximum
atmospheric transmittance.
Resumen— El clima peruano no corresponde a su ubicación geográfica por dos factores fundamentales, la cordillera de los andes y la corriente
peruana, por esta razón es importante conocer el comportamiento de la radiación solar global del país, dada la falta de información al respecto.
El presente trabajo tuvo como objetivo explicar el proceso de determinación de la radiación solar global y analizar su comportamiento en el
Altiplano de Puno, durante el periodo de 2007 a 2013, en las zonas Circunlacustre, Puna húmeda y Clima de Altura. Se ha propuesto el modelo
Bristow y Campbell para estimar la radiación solar diaria a partir de datos de temperaturas extremas diarias, registradas en el Servicio Nacional
de Meteorología e Hidrología (SENAMHI), Puno, y la transmitancia atmosférica máxima, estimada con datos de la estación meteorológica de la
Escuela Profesional Físico Matemáticas de la Universidad Nacional del Altiplano. La base de datos que genera tal modelo permite obtener un
valor promedio anual máximo y mínimo, los valores encontrados en el presente trabajo fueron de máximo 7.2984 KWh / m 2 en Masocruz y
mínimo 5.4806 KWh / m 2 en Juli, tales valores, mayores a 4KWh / m2 y como lo indica la Organización Latinoamericana de Energía, son
rentables para aplicaciones de energía solar como colectores solares térmicos, módulos fotovoltaicos y viviendas bioclimáticas. Además,
transforman la energía solar en energía térmica o eléctrica, lo que podría ayudar a resolver problemas como el friaje o heladas que son
afrontadas por pobladores, animales y plantas en las zonas altoandinas de la Región Puno.
Palabras clave—Altiplano de Puno, Bristow y Campbell, disponibilidad de energía solar, Radiación Solar Global, temperatura máxima,
temperatura mínima, transmitancia atmosférica máxima.
I. INTRODUCCIÓN
La fuente de energía para la vida proviene del sol, que proporciona una fuente estable y confortable de calor y luz [1]. La
radiación solar se define como la radiación electromagnética que llega a la tierra desde el sol, siendo extremadamente esencial
para la vida [2], y está formado por el conjunto de radiaciones monocromáticos que la componen [3]. La energía recibida por el
sistema tierra-atmosfera es también crucial para equilibrar la energía en nuestro planeta [4]; y es la principal fuente de energía
renovable que soporta la biósfera y estimula los procesos físicos, químicos y biológicos en la tierra, tales como los procesos
ecológicos y biofísicos [5], como la fotosíntesis y los procesos ambientales relacionados a la temperatura del aire y suelo,
afectando la trasferencia de calor por medio de la evaporación y transpiración [6].
No toda la radiación solar consigue ingresar a la superficie terrestre, esto se debe a que interactúa con componentes atmosféricos
al atravesar la masa óptica y sufre la acción de procesos de reflexión, dispersión y absorción [7] . Así, el 51% de la radiación
extraterrestre está disponible para procesos en medios físicos y biológicos, siendo la fracción que efectivamente llega a la
superficie terrestre denominada radiación solar global [8].
El conocimiento preciso de la radiación solar en una superficie horizontal se considera como primer paso para la evaluación de
su disponibilidad [9], y sirve para diferentes aplicaciones, como en áreas de la meteorología, climatología, hidrología, modelos de
simulación de cultivos y estimación de evapotranspiración [10], [11]; también para la predicción de eficiencia y optimización del
diseño de los dispositivos solares, como los colectores solares térmicos y los sistemas fotovoltaicos requieren datos de radiación
solar global [12], [13]; además, estos reducen el uso de combustibles fósiles [14]. Se pueden aplicar también para la ganancia de
calor en edificios [15]; en las aplicaciones de la agricultura [16], para la caracterización de la atmósfera y para conocer la
variación temporal [17]. La predicción de la radiación solar global es fundamental para establecer la eficacia de los recursos de
energía solar como la energía libre y limpia, e identificar y evaluar los sitios que funcionan con energía solar [18].
En muchas zonas del mundo, las mediciones de radiación solar no se encuentran fácilmente disponibles [19]; sin embargo, se
puede estimar con modelos empíricos [20], [21], [22], pues es una herramienta esencial y económica, basadas fundamentalmente
en geoposicionamiento [23], dependen de variables meteorológicas [24], [25]; algunos investigadores han desarrollado incluso
modelos empíricos que utilizan la temperatura del aire para estimar la radiación solar global, como los modelos Bristow-
Campbell y Hargreaves- Samani [26] y estos modelos pueden utilizarse como predictores [27]. La cantidad de la radiación solar
global depende de la ubicación, el tiempo del año y las condiciones atmosféricas [28].
Al saber la importancia que tiene la aplicabilidad de la radiación solar para proyectos energéticos, se pretende conocer la
aplicabilidad y veracidad del Modelo Bristow y Campbell, que se basa en la amplitud térmica por ser más típica en las estaciones
meteorológicas de SENAMHI en el Altiplano de Puno, en Perú.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Área de estudio y datos utilizados
La presente investigación se realizó en el altiplano de Puno, ubicado a más de 3810 m.s.n.m. en regiones mencionadas por [29],
tales como:
Circunlacustre que corresponde al área que bordea al lago Titicaca y actúa como efecto termorregulador, que consiste en la
absorción del calor durante las horas de sol y su pérdida lenta en las noches, permitiendo que los vientos del Sur Este, que soplan
sobre el agua, se calienta y humedecen, elevando y manteniendo constantemente la temperaturas, en ella se ubican Puno, Juli,
Capachica, Moho y Yunguyo.
Puna Húmeda, el rango de oscilación indica que las temperaturas sufren fuertes descensos ocasionado la presencia de heladas
más o menos intensas, aunque de menor frecuencia y con un período de ocurrencias más corto, en ella se ubican Azángaro,
Crucero, Desaguadero, Huancané, Ilave y Putina.
Clima de altura, corresponde a todas las zonas de altura, de topografía sumamente accidentada, con suelos erosionados y con
vegetación natural muy pobre. Existe poca información meteorológica en estas áreas, sin embargo se estima que la temperatura
promedio es sumamente baja, clara indicación de que las heladas son intensas y muy frecuentes, durante todo el año, en ella se
encuentran Ananea, Capaso y Masocruz.
En la determinación de la radiación solar global se utilizaron datos de temperatura máxima y mínima diaria, medidos por las
estaciones meteorológicas del Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología, que tiene el mantenimiento y la calibración
certificada por el fabricante. Estos datos fueron medidos cada 15 minutos durante el día, desde enero del 2007 hasta diciembre del
2013, a excepción de la estación meteorológica de la ciudad de Puno que fueron medidos del 2007 al 2017, almacenados en la
base de datos del software weatherlink. Así mismo, para la validación se ha requerido datos de radiación solar global medidos con
piranómetros de marca Kipp-Zonen.
B. Modelo Bristow y Campbell
El modelo de Bristow y Campbell es uno de los más utilizados para estimar la radiación solar global, por su facilidad de encontrar
variables comunes en todos los lugares donde existen estaciones meteorológicas; además es un método simple, rápido, confiable y
efectivo [5]. Las mediciones de radiación solar global son muy costosas y requieren mucho tiempo, lo que hace que los datos de
la radiación solar global no estén disponibles en la mayoría de las regiones del mundo [13].
El modelo tal explica la relación entre la diferencia de las temperaturas máximas y mínimas diarias del aire con calor sensible y
calor latente. El calor latente depende de la radiación solar diaria y es el responsable de la temperaturas máximas del aire; además,
el calor sensible al anochecer debido a la inercia térmica gradualmente se pierde en el espacio como radiación de onda larga y
otros flujos radiantes, resultando en el decrecimiento de la temperatura hasta alcanzar su temperatura mínima justo antes del
amanecer [30].
Cuando la radiación solar llega a la superficie de la tierra, una parte se refleja y la otra es absorbida. Por otra parte, el suelo se
calienta, emite radiación de onda larga que hace que caliente el aire adyacente, contribuyendo a cambiar su temperatura. En base aeste argumento Bristow y Campbell construyeron un modelo físico empírico para estimar la radiación solar global en función de
la radiación solar extraterrestre y la diferencia de temperaturas máximas y mínimas [31], como se muestra en la Ecuación (1).
Rg
A 1- e- B(Tmax -Tmin )
C
(1)
Re
Dónde:
Rg : Radiación solar global KWh / m 2
Re : Radiación solar extraterrestre KWh / m 2
Tmax : Temperatura máxima °C
Tmin : Temperatura mínima °C
A: Transmitancia atmosférica máxima.
B: Constante especifica de la región (Depende de C)
C: Constante especifica de la región (Depende de la amplitud térmica y latitud).
A, B y C son constantes empíricas, con significado físico, el coeficiente A representa la transmitancia atmosférica máxima, que es
característica del área de estudio, y depende de la contaminación y elevación de la zona. Los coeficientes B (C ) y C determinan
-1
el efecto del incremento en la amplitud térmica T en los máximos valores de transmitancia atmosférica ( K t ) [32].
Debido a que los valores absolutos y las diferencias entre las temperaturas máximas y mínimas son fuertemente influenciados por
la topografía, latitud y altitud, entre otros factores, los coeficientes B y C propuestos pueden ser aplicados solo en áreas bajo
similares condiciones de régimen térmico. Se desarrollaron las ecuaciones empíricas (2) y (3) para determinar el valor de tales
coeficientes [33].
C 2.116 - 0.072(Tmax - Tmin ) 57.574e (2)
Dónde: es latitud
B=0.107C-2.6485 (3)
El modelo Bristow y Campbell fue utilizado para numerosos estudios y se han encontrado mejoras en la radiación solar global;
debido a la simplicidad de datos [34].
Inicialmente este modelo fue empleado en las localidades de Pullman, Great Falls y Tacoma de los Estados Unidos, en donde se
mostró que su desempeño del modelo fue capaz de explicar entre un 70% y 90% de la variación de la radiación solar. En el
modelo se empleó la amplitud térmica ΔT durante el día, de acuerdo a los estudios, los valores para los coeficientes A, B y C son
0.7; entre 0.004 y 0.010; y 2.4 respectivamente [35], así mismo tuvo un buen desempeño en el área de estudio de la meseta
Tibetana de China [5]. En Bolivia, Patacamaya, la aplicación del modelo Bristow-Campbell y Hargreaves-Samani es
perfectamente posible, ya que están basados en temperaturas extremas y fueron validados al 89% [28].
El modelo Bristow y Campbell tuvo mejor desempeño en la estimación de radiación solar global [36], durante los periodos seco
(abril-octubre) y húmedo (noviembre-marzo) en Mato Grosso, Brasil [37].
Las coordenadas geográficas de un lugar de estudio están representadas por la latitud (grados), longitud (grados) y altitud
(metros); donde la latitud es el ángulo entre el estudio de la posición del Ecuador y la longitud es el ángulo entre el meridiano de
la posición del estudio con el meridiano [38], como se muestra en la Tabla 2 para el Altiplano de Puno.
C. Factores astronomicos
El aporte correspondiente del factor de corrección E0 considera las perturbaciones producidas por la rotación de la tierra [39]. Así
mismo en [40] se ha utilizado la ecuación (4) en función del día del año d n . 2 d n
E0 1 0, 033cos
365
(4)
Dónde: d n corresponde al número del día Juliano del año ( 1 d n 365 ), variando desde 1 para el primero de enero, hasta 365
para el 31 de diciembre.
La declinación solar ( ) corresponde a la posición angular del sol al mediodía solar respecto al plano de la ecuación, positivo
hacia el norte [41],, y se puede calcular mediante la ecuación (5), obtenida por Perrín de Brichambaut.
2 d n
0.409.sen -1.39 (5)
365
El ángulo horario ( ) mostrado en la ecuación (6) representa el desplazamiento angular del sol al este o al oeste del meridiano
local debido a la rotación de la tierra [42].
cos1 tgtg (6)
Para comprender el comportamiento de la radiación solar extraterrestre Re se debe considerar que el sol es una estrella variable
debido a fenómenos como las manchas y fáculas solares, presentes principalmente en las zonas de convección, superficie y
atmosfera, provocando que el sol emita radiación variable a lo largo del año [42]. Se conoce que estas variaciones son menores a
1.5% sin embargo, la distancia tierra sol varia un 6.7% a lo largo del año [43].
El cálculo de la radiación solar extraterrestre mostrada en la ecuación (7) es indispensable para determinar la radiación solar
global diaria con cualquier modelo que se desee emplear, para poder estimarla se requiere conocer el valor de la constante solar.
24(60)
Re E0 I cs sen sen cos cos sen (7)
Dónde, la constante solar es:
I cs -2
0.082 MJm dia
-1
D. Transmitancia atmosférica
La atmósfera no se comporta como un filtro homogéneo si no que ocurren múltiples fenómenos de difracción, reflexión,
absorción y adsorción [17]; así como, dispersión por aerosoles, CO2 , ozono, vapor de agua, entre otros; causados por diferentes
agentes atmosféricos y contaminantes [7].
La transmitancia de la atmósfera K t representa la fracción de energía solar que ingresa a la superficie terrestre después que el haz
de pequeñas partículas atraviesa la unidad de espesor del medio atmosférico [39].
La interpretación física de la transmitancia atmosférica se refiere al grado de claridad del cielo, se ha sugerido diferentes bandas
de [44], como sigue:
Tabla 1 Escala de transmitancia atmosférica.
Tipo de día Transmitancia Atmosférica
Nublado
0 Kt 0.2
Parcialmente nublado 0.2 Kt 0.6
Soleado 0.6 Kt 0.75
Muy soleado 0.75 Kt 1
Fuente: [44].Aunque esta división es arbitraria puede ser considerada para definir el tipo de día según el estado de su atmósfera.
La distribución de probabilidad de la transmitancia atmosférica es esencial para la predicción de la energía de la radiación solar
global [45].
Cuando el cielo está limpio, la radiación directa corresponde de 60 a 87% de la radiación solar global, en presencia de nubosidad
la radiación solar disminuye, pues la nubosidad y la elevación del sol son factores de primer orden en la variación de la radiación
incidente [46], también las nubes que cubren en medida de 40 a 60% de la superficie de la tierra desempeñan un papel
fundamental en el balance de energía en el planeta, también en la variación de la radiación solar global [47].
La disminución de la radiación solar global se debe a la creciente nubosidad. Esta información será útil para el modelo climático,
para evaluar mejor los cambios de radiación solar [48]. Además, la radiación solar global y la temperatura están estrechamente
relacionadas [22], [49].
III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Aquí se analiza la radiación solar global en el altiplano de Puno en los pisos ecológicos Circunlacustre (Puno, Capachica, Moho,
Yunguyo, Juli), Puna Húmeda (Azángaro, Crucero, Desaguadero, Huancané, Ilave, Putina) y Clima de altura (Ananea, Capaso,
Masocruz) durante el periodo 2007 al 2013 aplicando el modelo Bristow y Campbell, a excepción de Puno que se aplicó durante
el periodo 2007 al 2017.
Tabla 2. Estaciones meteorológicas SENAMHI-Puno
Estación Provincia Distrito Latitud Longitud Altitud Piso Ecológico
(º) (º) m.s.n.m.
Ananea San Antonio de Ananea 14°40'42,4" 69°32'03,3" 4650 Clima de altura
Putina
Capaso El Collao Ilave 17°11'15,8" 69°44'07,8" 4530 Clima de altura
Masocruz Chucuito Masocruz 16°44'24.4" 69°42'21.9" 4100 Clima de altura
Azángaro Azángaro Azángaro 14°54'51.7" 70°11'26.7" 3863 Puna húmeda
Crucero Carabaya Crucero 14°21'44.4" 70°01'27.7" 4100 Puna húmeda
Desaguadero Chucuito Desaguadero 16°34'06.6" 69°02'24.4" 3860 Puna húmeda
Huancané Huancané Huancané 15°12'05.4" 69°45'12.8" 3890 Puna húmeda
Ilave El Collao Ilave 16°05'17.7" 69°38'42.0" 3880 Puna húmeda
Putina San Antonio de Putina 14°54'52.6" 69°52'03.9 3878 Puna húmeda
Putina
Capachica Puno Capachica 15°36'56" 69°50'38.4" 3933 Circunlacustre
Juli Chucuito Juli 16°12'13.6" 69°27'35.7" 3812 Circunlacustre
Moho Moho Moho 15°23'17.8" 69°29'03.4" 3890 Circunlacustre
Puno Puno Puno 15°49'34.5" 70°00'43.5" 3812 Circunlacustre
Yunguyo Yunguyo Yunguyo 16°18'28.2" 69°04'29.0" 3890 CircunlacustreLos resultados de la determinación de la radiación solar global diaria estimada empleando la información real de las estaciones de
SENAMHI Puno, mostrada en la Tabla 2, permitió analizar el comportamiento de la radiación solar global diaria, mensual y anual
a lo largo de los años de estudio en el Altiplano de Puno. El modelo de Bristow y Campbell fue definido para valores diarios,
como el altiplano de Puno está sujeto a alteraciones constantes de las temperaturas máximas y mínimas, la utilización del modelo
generó valores de radiación solar global esperados, ya que estos son resultados favorables para el aprovechamiento de la energía
solar en el altiplano de Puno.
La Tabla 3, como ejemplo para el mes de diciembre del 2017 se observa que la radiación solar global son mayores a 4 KWh / m 2 ,
lo cual indica que es rentable en las aplicaciones de la energía solar, además la transmitancia atmosférica máxima son mayores a
0.6 lo que indica que en dicho mes los días fueron de cielo despejado, según la tabla 1, indicada por [44].
En la Figura 1, se muestra el comportamiento correspondiente de los datos estimados y medidos de la radiación solar global
diarios de la estación meteorológica de la ciudad de Puno perteneciente al Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología –
SENAMHI Puno.
Tabla 3. Radiación solar global diario en el mes de diciembre del 2017 Puno
Día Factor de Radiación Radiación
Fecha
Cte juliano Tmin Tmin Latitud corrección Declinación Angulo extraterrestre C( B solar global
A ϕ δ horario ω Cte) (Cte)
dn [°C] [°C] E0 2
Re ( MJ / m ) Re ( KWh / m )
2
01-dic 0.797 335 18.8 6.1 -0.2763 1.0287 -0.3862 1.6863 40.9282 1.2016 0.0658 6.8147
02-dic 0.819 336 18.9 5.5 -0.2763 1.0290 -0.3884 1.6871 40.9449 1.1512 0.0737 7.1589
03-dic 0.814 337 18.9 5.5 -0.2763 1.0292 -0.3906 1.6878 40.9608 1.1512 0.0737 7.1122
04-dic 0.812 338 17.9 6.3 -0.2763 1.0295 -0.3926 1.6885 40.9759 1.2808 0.0556 6.6792
05-dic 0.825 339 17.9 5.9 -0.2763 1.0297 -0.3945 1.6891 40.9902 1.2520 0.0590 6.8952
06-dic 0.824 340 17.6 6.4 -0.2763 1.0300 -0.3963 1.6897 41.0038 1.3096 0.0524 6.6649
07-dic 0.933 341 17.7 6.4 -0.2763 1.0302 -0.3980 1.6903 41.0167 1.3024 0.0531 7.5828
08-dic 0.745 342 17.7 5.1 -0.2763 1.0304 -0.3996 1.6908 41.0288 1.2088 0.0648 6.3649
09-dic 0.754 343 17.4 5.1 -0.2763 1.0307 -0.4010 1.6913 41.0403 1.2304 0.0618 6.3783
10-dic 0.844 344 19 3.2 -0.2763 1.0309 -0.4023 1.6918 41.0511 0.9784 0.1134 7.8441
11-dic 0.788 345 19 3.2 -0.2763 1.0311 -0.4035 1.6922 41.0613 0.9784 0.1134 7.3254
12-dic 0.815 346 18.4 6.3 -0.2763 1.0313 -0.4046 1.6925 41.0708 1.2448 0.0599 6.8531
13-dic 0.915 347 19 6.5 -0.2763 1.0314 -0.4056 1.6929 41.0797 1.2160 0.0637 7.7981
14-dic 0.947 348 19 6.5 -0.2763 1.0316 -0.4064 1.6931 41.0880 1.2160 0.0637 8.0783
15-dic 0.820 349 18.4 7.9 -0.2763 1.0318 -0.4072 1.6934 41.0956 1.3600 0.0474 6.4267
16-dic 0.923 350 17.8 6.8 -0.2763 1.0319 -0.4078 1.6936 41.1026 1.3240 0.0509 7.4211
17-dic 0.787 351 17.8 6.8 -0.2763 1.0320 -0.4083 1.6938 41.1091 1.3240 0.0509 6.3236
18-dic 0.693 352 16.4 5.7 -0.2763 1.0322 -0.4086 1.6939 41.1149 1.3456 0.0487 5.4932
19-dic 0.731 353 16.4 5.7 -0.2763 1.0323 -0.4089 1.6940 41.1202 1.3456 0.0487 5.7898
20-dic 0.660 354 17.6 6.9 -0.2763 1.0324 -0.4090 1.6940 41.1248 1.3456 0.0487 5.2331
21-dic 0.642 355 17.6 6.7 -0.2763 1.0325 -0.4090 1.6940 41.1289 1.3312 0.0502 5.1361
22-dic 0.660 356 17.7 6.6 -0.2763 1.0326 -0.4089 1.6940 41.1324 1.3168 0.0516 5.3304
23-dic 0.809 357 19.1 6.6 -0.2763 1.0327 -0.4086 1.6939 41.1352 1.2160 0.0637 6.9066
24-dic 0.759 358 19.1 6.6 -0.2763 1.0328 -0.4083 1.6938 41.1375 1.2160 0.0637 6.4801
25-dic 0.795 359 19 6.1 -0.2763 1.0328 -0.4078 1.6936 41.1392 1.1872 0.0679 6.8790
26-dic 0.720 360 17.7 5.7 -0.2763 1.0329 -0.4072 1.6934 41.1403 1.2520 0.0590 6.0369
27-dic 0.772 361 17.7 5.7 -0.2763 1.0329 -0.4064 1.6931 41.1407 1.2520 0.0590 6.4731
28-dic 0.872 362 16.3 6.3 -0.2763 1.0330 -0.4056 1.6929 41.1405 1.3960 0.0442 6.6503
29-dic 0.775 363 16.3 5.4 -0.2763 1.0330 -0.4046 1.6925 41.1397 1.3312 0.0502 6.2049
31-dic 0.867 365 17.8 5.1 -0.2763 1.0330 -0.4023 1.6917 41.1361 1.2016 0.0658 7.4509
0.797 Promedio 6.6595Figura 1. Radiación solar global diaria estimada y medida en la ciudad de Puno en los años 2014, 2015 y 2017.
2
Radiación solar global estimada (KWh/m )
2
Radiación solar global medida (KWh/m )
10
9
Radiación solar global (KWh/m )
2
8
7
6
5
4
3
Año 2014 Año 2015 Año 2017
La Figura 1, muestra los datos de radiación solar global diaria estimadas y medidas durante los años 2014, 2015 y 2017 de la
ciudad de Puno, como se observa los datos estimados y medidos son similares, obteniéndose la correlación de Pearson con un
valor de 0.93769 mostrada en la Figura 2, lo cual indica un alto valor de confianza. Se observa también de forma clara los
fenómenos de afelio y perihelio durante los años de estudio.
Figura 2. Correlación de Pearson de la radiación solar global estimada y medida del 2014, 2015 y 2017.
2
Radiación solar global (KWh/m )
10 Linear Fit
9
Radiación solar global medida (KWh/m )
2
8
7
Linear Regression for
Y=A+B*X
6 Parameter
------------------------------------------------------------
A 0.14556
5 B 0.98916
------------------------------------------------------------
R
4 ------------------------------------------------------------
0.93769
3
4 5 6 7 8 9 10
2
Radiación solar global estimada (KWh/m )
La Figura 2, muestra la relación correspondiente de los datos estimados y medidos de la radiación solar global diarios de la
estación de SENAMHI en la ciudad de Puno.
Además, se obtuvo la correlación lineal de Pearson con un valor de r= 0.93769 de la relación entre los datos de radiación solar
global diaria estimadas y medidas, durante los años 2014, 2015 y 2017 en la estación meteorológica del Servicio Nacional de
Meteorología e Hidrología SENAMHI el cual indica un alto valor de confianza al 93%.La Figura 3, muestra los valores de radiación solar global promedios mensuales estimadas con el modelo Bristow y Campbell
durante el año 2013 de las estaciones meteorológicas de SENAMHI en el Altiplano de Puno.
Figura 3. Radiación solar global promedio mensual en el altiplano de Puno durante el año 2013.
De los resultados obtenidos mostradas en la Figura 3, como era de esperarse para los meses de enero, febrero, marzo y abril los
valores son altos debido al fenómeno del afelio la distancia más corta entre la tierra y el sol, de la misma forma en los meses de
setiembre, octubre, noviembre y diciembre.
Así mismo, en los meses de mayo, junio, julio y agosto la radiación solar global disminuye debido al fenómeno perihelio la
distancia más corta entre la tierra y el sol.
Además los valores de la transmitancia atmosférica máxima son mayores a 0.6 y menores a 1, los cuales indican que en su
mayoría de los días durante el año son despejados, según las escalas indicadas por [44].
Figura 4. Promedio de la transmitancia atmosférica máxima del 2015, 2016 y 2017.La Figura 4, muestra el comportamiento de la Transmitancia Atmosférica máxima diaria durante un año, para ello se utilizó datos
medidos de la estación meteorológica Davis de la Escuela Profesional de Ciencias Físico Matemáticas de la Universidad Nacional
del Altiplano Puno, notándose más disperso en los extremos debido a la presencia de días nublados y las precipitaciones que se
da en los meses enero, febrero, marzo y abril; así mismo, en los meses septiembre, octubre, noviembre y diciembre. Mientras que
en el centro es menos disperso debido a la temporada de sequía, friaje o heladas, donde los días son despejados y se da entre los
meses de mayo, junio, julio y agosto.
Los valores de transmitancia atmosférica máxima promedio mensual obtenidos aplicando el modelo de Bristow y Campbell para
Puno de enero hasta diciembre son 0.83, 0.81, 0.84, 0.83, 0.89, 0.86, 0.85, 0.83, 0.83, 0.84, 0.85 y 0.80 respectivamente, co n
promedio anual de 0.84; cabe mencionar en el año 2003 el Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología realizó estudios de
transmitancia atmosférica máxima obteniendo un valor de 0.82 anual, para tal estudio aplicaron el modelo Ångström-Prescott
basados en insolación solar [50]; por lo que comparando con el resultado de esta investigación se generó un error porcentual de
2.38% por lo que el resultado es confiable para realizar futuras investigaciones relacionadas a la determinación de la radiación
solar global en zonas altoandinas del Perú, tales como: Puno, Junín, Cajamarca, Ayacucho, Cusco, Cerro de Pasco, Huancayo,
Arequipa, Huancavelica, Huánuco, entre otros.
La Figura 5, muestra los valores de radiación solar global promedios mensuales estimadas y medidas desde el 2007 al 2013 de las
estaciones meteorológicas de SENAMHI en el altiplano de Puno.
Según los resultados obtenidos, se puede observar que en la zona clima de altura en donde se encuentra la estación Masocruz a
4100 m.s.n.m. es en la que se obtuvo un promedio más alto de radiación solar global y el mínimo valor en la estación de Juli
ubicada a 3812 m.s.n.m. De la Física Atmosférica se sabe que a medida que aumente la altura, la atmosfera se hace más tenue, por
lo que el valor de la radiación solar debe ser mayor en sitios de mayor altitud [39], lo que se cumple en el altiplano de Puno en las
zonas circunlacustre con valores de 5.9569 KWh / m2 , puna húmeda con 6.3782 KWh / m2 y clima de altura con
6.7678KWh / m2 tal como se observa en la Figura 5.
De los años estudiados desde el 2007 al 2013, se puede observar que en el año 2012 se dio las radiaciones solares mas bajas, a
pesar de ello los valores obtenidos son muy alentadores para las aplicaciones de las energias limpias y verdes.
Se puede observar que en la zona clima de altura en donde se encuentran Capaso y Masocruz se obtuvo un promedio de los años
2
de estudio de 7.0598 y 7.2984 KWh / m respectivamente, siendo esta última la que cuenta con mayor radiación solar global a
excepción de Ananea.
La zona Puna húmeda en donde se encuentran Azángaro, crucero, desaguadero, Huancané, llave y putina se obtuvo un promedio
2
anual de radiación solar global con valores de 6.5514, 6.7444, 5.9079, 6.3401, 6.2282 y 6.7831 KWh / m respectivamente, siendo Putina
con mayor potencial.Además en la zona Circunlacustre en donde se encuentran Capachica, Juli, Moho, Puno y Yunguyo se obtuvo un promedio de los
2
años de estudio de radiación solar global de 5.9825, 5.4806, 6.0710, 5.9968 y 6.3424 KWh / m respectivamente, siendo Yunguyo con
mayor potencial.
Figura 5. Promedio anual de la radiación solar global del 2007 al 2013.
Estudios realizado [50], [51], en Puno y en Junín determinaron que, por su ubicación geométrica, son consideradas áreas de alto
potencial de Radiación solar global con valores promedios anuales de 6.36KWh/m2 y 5.3KWh/m 2 respectivamente.
Además se obtuvieron resultados de radiación solar global promedio anual en el altiplano de Puno con un valor de
6.3895KWh / m2 , con un error porcentual de 0.47%. Estos resultados son muy aplicables en sistemas solares.
Estudios de radiación solar en Cúcuta Colombia [52], llegaron a la conclusión que la zona de estudio tiene gran potencial de
radiación solar con un valor de 5.335KWh / m2 , este resultado permite realizar una explotación energética de este potencial
solar, a través del aprovechamiento de energía térmica y fotovoltaica, y se pueden realizar estudios de diseño, dimensionamiento,
implementación de sistemas fotovoltaicos, autónomos, conectados a la red y sistemas solares térmicos, porque a partir de estos
resultados se puede estimar la producción energética.
De forma similar, estudios realizados en las zonas de Nepal, Himalaya [14] a la altitud de 1350m los datos estimados de radiación
solar global fue de 3.21KWh / m2 y registrados de 3.44KWh / m2 con error porcentual de 7,2%; cabe resaltar que estos
resultados no son muy alentadores.
La evaluación de recurso solar en la parte norte de la península de La Guajira [53], encontró valores en el intervalo de
6KWh / m2 y 6.8 KWh / m 2 por día, y estos resultados son adecuados para el desarrollo de instalaciones solares de tipo eléctrico
y térmico.
Así mismo, para el desarrollo de instalaciones solares fotovoltaicos de tipo aislado se requiere un nivel de radiación solar global
entre 3KWh / m2 y 4KWh / m2 . Para instalaciones solares con conexión a red se requiere un nivel de radiación solar de
4KWh / m2 por día, en cuanto a la producción de agua caliente sanitaria se requiere menores niveles de radiación solar diaria,
entre 2.5KWh / m2 y 3KWh / m2 [54].Los resultados obtenidos de radiación solar global promedios en las zonas del Altiplano de Puno superan las expectativas ya que
se encuentran entre intervalos de 5.48KWh / m2 y 7.29 KWh / m 2
IV. CONCLUSIONES
El modelo empírico Bristow y Campbell permite determinar la radiación solar global diaria promedio confiablemente en el
altiplano de Puno en las zonas Circunlacustre con 5.9569 KWh / m2 , puna húmeda con 6.3782 KWh / m2 y clima de altura
con 6.7678KWh / m2 , con datos de entrada de temperaturas máximas y mínimas con coeficiente de correlación r 0.93759 ;
además, existe una influencia directa de los elementos climáticos de amplitud térmica y latitud de la zona de estudio en relación a
la radiación solar global.
Se ha realizado estimaciones de radiación solar global diaria en el altiplano de Puno, durante los años 2007 al 2013 con datos de
entrada de SENAMHI Puno obteniéndose un máximo valor promedio de los años estudiados de 7.2984KWh/m2 en la estación
de Masocruz ubicada en la zona clima de altura y un mínimo valor promedio de los años estudiados de 5.4806KWh/m2 en la
estación de Juli ubicada en la zona Circunlacustre.
Así mismo los resultados obtenidos de los niveles de radiación solar global en las zonas del altiplano de Puno son mayores a
4KWh/m2 y estos son muy rentables para las aplicaciones en energía solar, según la OLADE (Organización Latinoamericano
de Energía Solar), tales como colectores solares térmicos, módulos fotovoltaicos, viviendas bioclimatizadas, etc.
AGRADECIENTOS
Al Servicio Nacional de Meteorología e Hidrología (SENAMHI) de la Región Puno por los datos cedidos para la realización de
este trabajo.
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