3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los primeros registros de la base de datos radiométricos del GTER pertenecen al año 1984. Como ya se ha comentado no son muchas las estaciones que cuentan con un histórico de medidas tan amplio. De ahí que esta fuente de información adquiera una especial relevancia en el ámbito de investigación de la energía solar. Cuando se comienza a trabajar con los archivos diarios se localizan varios problemas que dificultan el tratamiento de la información disponible. Entre ellos se pueden destacar aquellos días para los que no se ha generado el archivo de datos correspondiente, en los que existen huecos o aquellos en los que aparecen medidas erróneas, más adelante se detallan los posibles motivos. Una vez localizados estos problemas se plantea trazar una metodología que permita corregir la base de datos. El actual proyecto gira alrededor de este objetivo. En esta breve introducción se plantea el origen del problema, en los siguientes capítulos se mostrará la metodología diseñada así como los resultados obtenidos. El procedimiento de corrección de días ha sido aplicado a un periodo de diez años de medidas, desde enero del año 2000 a diciembre de 2009. La selección de este intervalo se apoya en dos puntos fundamentales. Por una parte, con diez años de medidas se reúne el número de datos necesarios para que los resultados de un análisis estadístico sean representativos y, por otra parte, a partir del año 2000 mejora la calidad de los datos registrados. Esto es debido al mayor seguimiento de la estación y a la renovación de algunos dispositivos de medida. Entre estos el más destacado fue el cambio de seguidor. Se pasó de tener un equipo con seguimiento en un eje y necesidad de corrección manual según la época del año a otro totalmente automático y con seguimiento en dos ejes. A continuación se lleva a cabo una descripción detallada de la estación radiométrica y base de datos con que se ha trabajado a lo largo de todo el proyecto. Este paso es importante ya que para solventar los problemas que aparecen es fundamental conocer las características de los datos a tratar.

3.1 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO ACTUAL DE LA ESTACIÓN DEL GTER

A lo largo de los años 1984 a 1998 la estación radiométrica del Grupo de Termodinámica y Energías Renovables se ubicaba en el recinto universitario de Reina Mercedes, en un emplazamiento cuyas coordenadas eran 37,37° N y 6,00° W. En 1998 se trasladó a la azotea del edificio de laboratorios L-1 de la Escuela Superior de Ingenieros, donde se encuentra actualmente. Las coordenadas correspondientes a este lugar son 37,40°N y 6,01° W. Desde su instalación la estación se encuentra en constante evolución. El equipamiento de la misma se ha modificado para aumentar la fiabilidad de los registros. También ha experimentado cambios la forma de almacenar los datos, en este caso con el objetivo de facilitar el tratamiento informático de los mismos.

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Figura 3.1 Vista de la estación del GTER

La estación radiométrica se compone de una serie de sensores y equipos auxiliares destinados a medir y almacenar las principales variables de radiación. Los sensores son dispositivos que captan el valor absoluto o la variación de una determinada magnitud física (señal de entrada) y la convierten en una señal de salida apta para su tratamiento electrónico posterior. Están instalados en la plataforma superior de la estación de medidas, a 16 metros sobre el nivel del mar. Prácticamente todos los dispositivos funcionan de forma continuada y automática. A continuación se describen brevemente. A).PIRANÓMETROS: Piranómetro Kipp & Zonen, modelo CM21: El piranómetro es el sensor encargado de medir la radiación global. Este modelo de piranómetro utiliza un sencillo mecanismo de medida. La energía radiante es absorbida por un disco pintado de negro, después el calor fluye a través de una resistencia térmica hasta el cuerpo del piranómetro. La diferencia de temperatura entre los extremos de la resistencia se convierte en una tensión proporcional a la irradiancia absorbida, obteniéndose así la medida deseada. En cuanto a las características del dispositivo se deben destacar las cúpulas de vidrio, cuya función es evitar el deterioro o incorrecto funcionamiento del detector como consecuencia de efectos meteorológicos. Se evita, por ejemplo, que las variaciones de temperaturas ambientales afecten a las medidas. Otro elemento importante es el sistema destinado a absorber humedad de que consta el sensor. Impide la formación de rocío en el interior de la semiesfera. Actualmente este piranómetro registra medidas de irradiancia global horizontal. Especificaciones: - Rango espectral: 305-2800 nm - Sensibilidad: 7-17 µV/W/m2 - Tiempo de respuesta: 5 seg. - Temperatura de operación: de -40ºC a 80ºC

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Figura 3.2 Piranómetro Kipp & Zonen, modelo CM21

Piranómetro Eppley blanco y negro, modelo 8-48: Como en el caso anterior este sensor se encarga de medir la irradiancia global. Este modelo de piranómetro consiste en un hilo bobinado radial, una termopila diferencial con los receptores de unión caliente ennegrecidos con una capa superficial negra del tipo 3M Velvet y con los receptores de unión fría blanqueados con sulfato de bario. Cuenta con una base de precisión desmontable y una semiesfera pulida de cristal óptico Schott WG295, que es transparente a la radiación entre 0.285 y 2.8 µm. Tiene también tres reguladores de nivel y un absorbedor de humedad, silicagel. En la estación del GTER se encuentran instalados tres piranómetros de este modelo. Uno de ellos mide irradiancia global inclinada a 37°S. Los otros dos se encargan de medir la irradiancia difusa sobre superficie horizontal. Para obtener esta última medida se necesitan elementos adicionales que permitan al piranómetro recoger únicamente la componente difusa de la radiación. Se emplea para ello una banda metálica y un sistema de bolas. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox.10 µV/Wm-2 - Impedancia: aprox. 350 Ω - Dependencia con la temperatura: ±1,5% sobre un rango de temperatura de -20ºC a 40°C - Linealidad: ±1% de 0-1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 5 seg.

Figura 3.3 Piranómetro Eppley blanco y negro, modelo 8-48

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Piranómetro Middleton SK01-D :

En este caso el dispositivo utiliza un detector fotodiódico que se protege con una cúpula de vidrio. Cuenta con un amplificador de señal interno que proporciona una señal de salida en milivoltios, lo que facilita el tratamiento de las medidas. El espectro de radiación que cubre este sensor, así como la exactitud es mucho menor que en el caso de las termopilas. Este piranómetro está destinado a la medida de la irradiancia global inclinada a 27°. Especificaciones: - Tipo de sensor: Fotodiodo - Espectro nominal: 300-1150 - Sensibilidad: 1,0 mV/Wm-2 - Ángulo de visión: 2π estereorradianes - Tiempo de respuesta (95%): 30 ms

Figura 3.4 Piranómetro Middleton SK01-D

Piranómetro Kipp & Zonen, modelo CM6b Este piranómetro está formado por una termopila y una cúpula de vidrio de buena calidad. En la actualidad se usa para medir irradiancia global horizontal. Especificaciones: - Rango espectral: 350-1100 nm - Sensibilidad: ±2% - Tiempo de respuesta (95%): 10 ms

Figura 3.5 Piranómetro Kipp & Zonen, modelo CM6b

B).PIRHELIÓMETROS:

Pirheliómetro Eppley, modelo NIP El pirheliómetro es el dispositivo destinado a medir la radiación directa normal. El pirheliómetro NIP incorpora una termopila de cable enrollado en la base del tubo, con un ratio de 1 a 10 entre la apertura y su longitud. El interior de este tubo de latón está ennegrecido y cuenta con un diafragma para dirigir el paso de la luz. El tubo está lleno de aire seco a presión atmosférica y posee un sellado en la base receptora. En cada extremo del cilindro hay dos

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discos, provistos con un mecanismo que permite comprobar la alineación del pirheliómetro con el Sol. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox. 8 µV/Wm-2 - Dependencia con la temperatura: ±1% sobre un rango de temperatura de -20ºC a 40°C - Linealidad: ± 0,5% de 0 a 1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 1 seg

Figura 3.6 Pirheliómetro Eppley, modelo NIP

Pirheliómetro Kipp & Zonen, modelo CHP1 Este pirheliómetro está formado por una termopila. En ella el flujo de calor generado por la irradiancia incidente pasa a través de una resistencia térmica donde la diferencia de temperatura entre los extremos se convierte en una diferencia de tensión como una función lineal de la irradiancia absorbida. La ventana del pirheliómetro cubre un rango espectral del 97%. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox. 7-14 µV/Wm-2 - Linealidad: ± 0,2% de 0 a 1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 5 seg

Figura 3.7 Pirheliómetro Kipp&Zonen,

modelo CHP1

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C).SEGUIDOR: Seguidor Sci-tec, modelo 2AP: El objetivo de este dispositivo es el seguimiento instantáneo del Sol. Acoplados al seguidor se encuentran colocados los dos pirheliómetros previamente descritos. Con ellos se mide la irradiancia directa normal. Por lo tanto, los rayos solares deben incidir en todo momento en dirección perpendicular al plano de su apertura. La posición óptima del pirheliómetro se consigue gracias al seguidor. El seguidor 2AP cuenta con un microprocesador encargado de controlar su posición mediante dos ejes de control, cenit y acimut.

Figura 3.8: Seguidor Sci-tec, modelo 2AP

D).HELIÓGRAFO DE CAMPBELL-STOKES: El heliógrafo de Campbell-Stokes se encarga de medir la heliofanía, es decir, las horas de Sol. Consiste en una esfera de vidrio, montada concéntricamente en una sección de un recipiente esférico, cuyo diámetro es tal que los rayos de Sol se focalizan en una cartulina sostenida por unas guías. Especificaciones: - Forma: uniforme - Diámetro: 10 cm - Color: transparente - Índice de refracción: 1,52 +/- 0,2 Bandas de sol: - Material: Papel de buena calidad - Anchura: Con una precisión de 0,3 mm - Espesor: 0,4 +/- 0,05 - Efecto de la humedad: 2% - Color: oscuro, homogéneo sin diferencias detectables a la luz del día - Graduaciones: Horas del día impresas en blanco.

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Figura 3.9 Heliógrafo de Campbell-Stokes

E).ESCÁNER HP 34970A DE HEWLETT-PACKARD: Es la unidad de adquisición de datos. Ésta realiza las funciones de amplificación de las señales de los sensores, multiplexión, muestreo y retención y conversión analógico-digital de las señales de los sensores que requieren todos o algunos de estos procesos antes de su tratamiento digital en la unidad central. Especificaciones: -Capacidad para 120 canales analógicos, con tres ranuras para inserción de módulos multiplexores. - Resolución de 6 ½ dígitos (22 bits) - Velocidad de muestreo de hasta 250 canales - Un módulo multiplexor HP 34901A, con 20 canales de entrada (pueden mezclarse canales de 2 y 4 hilos) más 2 canales protegidos (intensidad hasta 1A), velocidad de muestreo de 60 canales y hasta 120 conmutaciones (canales digitales).

F).UNIDAD CENTRAL: La unidad central se compone de un ordenador personal, una tarjeta controladora para la conexión con la unidad de adquisición por medio de una interfaz HP-IB y un software para las funciones de control del sistema de adquisición, interfaz de operador y programación y mantenimiento del módulo de adquisición. El programa de la unidad central está desarrollado en lenguaje HP-VEE. G).PANEL DE CONEXIÓN: El panel de conexión, situado en la misma plataforma de sensores, proporciona una interfaz física entre éstos y la unidad de adquisición, facilitando y simplificando la instalación y el mantenimiento del cableado.

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H).ANEMÓMETRO – VELETA: Anemómetro: - Rango de medida: 0 – 50 m/s - Umbral de medidas: 0,5 m/s - Precisión: 0,2 m/s Veleta: - Rango de medida: 0-360º - Coeficiente de distancia I).SONDA BAROMÉTRICA: Se emplea una sonda barométrica Young modelo 61201 con puerto de presión Young modelo 61002 para la medida de presión atmosférica. Las características de la misma son: - Temperatura de operación: -50 a 60ºC - Rango de medida: 600 – 1100 hPa - Precisión: ±0,3 hPa a 20ºC, ±1 hPa de -50 a 60ºC J).SONDA PARA LA MEDIDA DE TEMPERATURA AMBIENTE Y HUMEDAD RELATIVA: En este caso se emplea una sonda Young modelo 41372VC/VF, compuesta por RTD de Platino de 1000Ω y sensor capacitivo de humedad instalado en un protector de radiación solar. Humedad relativa: - Temperatura de operación: -10 a 60º - Rango de medida: 0-100% HR - Precisión a 20ºC: ±3% de 10 a 90% HR, 4% de 0 a 10% HR y de 90 a 100% HR - Estabilidad: Mayor del ±2% HR durante dos años - Señal de salida: 4-20 mA Temperatura: - Rango de medida de calibrado: de -50ºC a 50ºC - Precisión a 0ºC: ±0,3ºC - Señal de salida: 4-20 mA

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3.2: DESCRIPCIÓN DE LA BASE DE DATOS En el apartado anterior se ha descrito el equipamiento de la estación, ahora se analiza la evolución que experimenta la estructura de los archivos almacenados. Los registros de las medidas principales se mantienen durante todos los periodos. A continuación se detallan los cambios, desde 1984 a 2009. Periodo 1: 1984 – 1995: Los archivos correspondientes a este periodo se nombran de la siguiente forma: “SRaaddd.OUT”. Los dos primeros dígitos, identificados con las letras “aa” indican el año al que pertenecen. Los tres dígitos restantes hacen referencia al día juliano en que se toman las medidas. En la Figura 3.10 se muestra un ejemplo de estos archivos:

Figura 3.10: Fichero de radiación correspondiente al día 39 de1988

La primera fila indica la estación con que se trabaja, así como el día y año en que se registraron las medidas. En la siguiente fila, como encabezado a cada una de las columnas, se especifican las variables registradas, son las siguientes: - G.M.T.(HH:MM): Instante temporal en que se han tomado las medidas - Irradiancia global sobre superficie horizontal (W/m2) - flag: código de cinco dígitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior según su fiabilidad - Irradiación global sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia difusa sobre superficie horizontal (W/m2) - flag: código de cinco dígitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior según su fiabilidad - Irradiación difusa sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie inclinada 30º (W/m2) - flag: código de cinco dígitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior según su fiabilidad - Irradiación global sobre superficie inclinada 30º (kJ/m2) - Irradiancia directa normal (W/m2)

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- flag: código de cinco dígitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna anterior según su fiabilidad

- Irradiación directa normal (kJ/m2) Como se puede observar en la primera columna de la Figura 3.10 se presentan las medidas cada 5 minutos, se almacena el valor medio de este intervalo. Los datos de irradiación expresan el valor de la integral de la irradiancia desde la primera medida registrada hasta el instante en que se almacena el valor. Periodo 2: 1996 – 1998: Durante este periodo cada día se generan dos archivos. El primer tipo se nombra como “SRAD-ddd.DAT”. En este caso los tres dígitos hacen referencia al día juliano. Únicamente se ha modificado el nombre del archivo, ya que mantiene una estructura idéntica a los archivos del periodo anterior.

Figura 3.11: Fichero de radiación correspondiente al día 185 de 1996

El segundo tipo de ficheros de este periodo son nombrados de forma similar a los anteriores, “RAD-ddd.DAT”. Cambia la estructura, quedando como a continuación se muestra:

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Figura 3.12 Fichero de radiación correspondiente al día 185 de 1996

Las primeras filas indican el día al que pertenecen los datos registrados y las medidas obtenidas. A continuación aparecen una serie de columnas que almacenan las siguientes variables: - Hora G.M.T.(HH:MM) - Irradiancia difusa sobre superficie horizontal (W/m2) - Irradiación difusa sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie horizontal (W/m2) - Irradiación global sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie inclinada 30º (W/m2) - Irradiación global sobre superficie inclinada 30º(kJ/m2) - Irradiancia directa normal (W/m2) - Irradiación directa normal (kJ/m2) - Hora solar aparente (hh:mm) Las medidas se continúan registrando en intervalos de 5 minutos. Periodo 3: 1999 – 2002: Durante este período se continúan almacenando los archivos “RAD-ddd.DAT” y se comienzan a generar unos nuevos llamados “ARADddd.DAT”.

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Figura 3.13: Fichero de radiación correspondiente al día 137 de 1996

Como se puede observar en la Figura 3.13 se deja de introducir texto en el fichero de medidas. Con esto se facilita en gran medida el tratamiento de los datos que contiene el archivo, pero a la vez dificulta la comprensión de las variables. Las columnas mantienen idéntica estructura que en el caso anterior. Comienzan a almacenarse valores cada 5 segundos. Periodo 4: 2003: A lo largo del año 2003 se continúan almacenando los dos tipos de archivos descritos para el periodo anterior, encontrando la única novedad en el cambio de extensión de los mismos. Antes se almacenaban con extensión “. DAT” y ahora pasan a ser “.TXT”. Periodo 5: 2004 – 2009: Durante los años 2004 a 2009 únicamente se generan los archivos del tipo “aradddd.txt”. Estos son aquellos en los que las medidas se muestran cada 5 segundos. Obtenerlas para intervalos mayores de tiempo no supone ningún problema desde el punto de vista matemático