Modelo para evaluar el impacto que tienen las variables climatológicas y de calidad del aire, en la eficiencia de los paneles solares

Fecha

Autor corporativo

Título de la revista

ISSN de la revista

Título del volumen

Editor

Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Compartir

Altmetric

Resumen

In a global context that drives an imperative energy transition, where solar power emerges as a primary alternative due to its ease of installation and distributed generation capabilities, a critical need arises to understand and mitigate the factors affecting its efficiency. This research precisely addresses the impact of climatological and air quality variables on the performance of solar panels, proposing a machine learning model capable of forecasting their efficiency. The central problem lies in the vulnerability of photovoltaic generation to exogenous factors like irradiance, temperature, pressure, humidity, and, crucially, dirt and environmental pollution. Omitting these studies can lead to the installation of seemingly viable systems that, over time, suffer a rapid degradation of efficiency, generating economic losses and disconnection in areas seeking energy autonomy. To counter this, a model is proposed that uses climatological and air pollution data from recognized APIs to study efficiency behavior in a pre-selected location in Colombia. The problem's formulation focused on how to evaluate the impact of these variables, and its systematization explored the functional and structural description of the evaluation and visualization model, as well as the validation of its predictive capacity. To address this challenge, climatological, air quality, and irradiance variables were collected, stored, and processed. Various machine learning algorithms were evaluated to predict instantaneous efficiency in seven geographical locations in Colombia with varied climatological characteristics, selecting the best-performing ones based on the number of correct predictions the algorithm is capable of making (R2). One of the most relevant conclusions is that the inclusion of air pollution variables in the prediction models significantly improved predictive performance, by 3% for the standard evaluation metric used. The feature importance analysis of the selected Random Forest model revealed that irradiance (GHI, GDI, DNI), climatological variables (temperature, humidity, wind direction and speed), and air quality variables (NO2, PM2.5, PM10, CO, and O3) were the most influential. Additionally, a negative association was found between instantaneous efficiency and higher air pollution conditions, with NO2, CO, SO2, PM10 and PM2.5 showing the greatest influence, while O3 exhibited a positive association, regardless of the overall level of pollution. These findings underscore the practical importance of incorporating air quality variables in the planning and operation of photovoltaic systems, since a more accurate prediction of instantaneous efficiency allows for a better estimation of performance and optimizes operation and maintenance strategies, contributing to a more effective use of solar potential and reinforcing the viability of clean energy.

Descripción

En un contexto global que impulsa una imperante transición energética, donde la generación solar emerge como una alternativa primordial por su facilidad de instalación y capacidad de generación distribuida, surge la necesidad crítica de comprender y mitigar los factores que afectan su eficiencia. Esta investigación aborda precisamente el impacto de variables climatológicas y de calidad del aire en el rendimiento de los paneles solares, proponiendo un modelo de machine learning capaz de pronosticar su eficiencia. El problema central radica en la vulnerabilidad de la generación fotovoltaica a factores exógenos como la irradiancia, temperatura, presión, humedad y, crucialmente, la suciedad y la contaminación ambiental. La omisión de estos estudios puede llevar a la instalación de sistemas aparentemente viables que, con el tiempo, sufren una rápida degradación de su eficiencia, generando pérdidas económicas y desconexión en zonas que buscan autonomía energética. Para contrarrestar esto, se plantea la construcción de un modelo que, utilizando datos climatológicos y de contaminación ambiental de APIs reconocidas, estudie el comportamiento de la eficiencia en una ubicación preseleccionada de Colombia. La formulación del problema se centró en cómo evaluar el impacto de estas variables, y su sistematización exploró la descripción funcional y estructural del modelo de evaluación y visualización, así como la validación de su capacidad predictiva. Para abordar este desafío, se recopilaron, almacenaron y procesaron variables climatológicas, de calidad del aire e irradiancia. Se evaluaron diversos algoritmos de machine learning para predecir la eficiencia instantánea en siete ubicaciones geográficas de Colombia, con características climatológicas variadas, seleccionando los de mejor rendimiento a partir de qué tantas predicciones correctas el algoritmo es capaz de realizar (R2). Una de las conclusiones más relevantes es que la inclusión de variables de contaminación ambiental en los modelos de predicción mejoró significativamente el rendimiento predictivo, en un 3% para la métrica de evaluación estándar utilizada. El análisis de importancia de características del modelo seleccionado, Random Forest, reveló que la irradiancia (GHI, GDI, DNI), las variables climatológicas (temperatura, humedad, dirección y velocidad del viento) y las variables de calidad del aire (NO2, PM2.5, PM10, CO y O3) fueron las de mayor influencia. Adicionalmente, se encontró una asociación negativa entre la eficiencia instantánea y condiciones de mayor contaminación ambiental, con el NO2, CO, SO2, PM10 y PM2.5 mostrando la mayor influencia, mientras que el O3 exhibió una asociación positiva, independientemente del nivel general de contaminación. Estos hallazgos subrayan la importancia práctica de incorporar variables de calidad del aire en la planeación y operación de sistemas fotovoltaicos, ya que una predicción más precisa de la eficiencia instantánea permite una mejor estimación del rendimiento y optimiza las estrategias de operación y mantenimiento, contribuyendo a un aprovechamiento más efectivo del potencial solar y reforzando la viabilidad de la energía limpia.

Palabras clave

Eficiencia energética en paneles solares, Variables climatológicas, Calidad del aire, Irradiancia solar, Machine learning

Materias

Maestría en Ciencias de la Información y las Comunicaciones Metodología Investigación -- Tesis y disertaciones académicas , Energía fotovoltaica -- Evaluación , Calidad del aire , Energía solar , Redes neuronales (Computadores)

Citación