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3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Los primeros registros de la base de datos radiomtricos del GTER pertenecen al ao 1984. Como ya se ha comentado no son muchas las estaciones que cuentan con un histrico de medidas tan amplio. De ah que esta fuente de informacin adquiera una especial relevancia en el mbito de investigacin de la energa solar. Cuando se comienza a trabajar con los archivos diarios se localizan varios problemas que dificultan el tratamiento de la informacin disponible. Entre ellos se pueden destacar aquellos das para los que no se ha generado el archivo de datos correspondiente, en los que existen huecos o aquellos en los que aparecen medidas errneas, ms adelante se detallan los posibles motivos. Una vez localizados estos problemas se plantea trazar una metodologa que permita corregir la base de datos. El actual proyecto gira alrededor de este objetivo. En esta breve introduccin se plantea el origen del problema, en los siguientes captulos se mostrar la metodologa diseada as como los resultados obtenidos. El procedimiento de correccin de das ha sido aplicado a un periodo de diez aos de medidas, desde enero del ao 2000 a diciembre de 2009. La seleccin de este intervalo se apoya en dos puntos fundamentales. Por una parte, con diez aos de medidas se rene el nmero de datos necesarios para que los resultados de un anlisis estadstico sean representativos y, por otra parte, a partir del ao 2000 mejora la calidad de los datos registrados. Esto es debido al mayor seguimiento de la estacin y a la renovacin de algunos dispositivos de medida. Entre estos el ms destacado fue el cambio de seguidor. Se pas de tener un equipo con seguimiento en un eje y necesidad de correccin manual segn la poca del ao a otro totalmente automtico y con seguimiento en dos ejes. A continuacin se lleva a cabo una descripcin detallada de la estacin radiomtrica 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 caractersticas de los datos a tratar.

3.1 DESCRIPCIN DEL EQUIPAMIENTO ACTUAL DE LA ESTACIN DEL GTER

A lo largo de los aos 1984 a 1998 la estacin radiomtrica del Grupo de Termodinmica y Energas 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 traslad 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 37,40N y 6,01 W. Desde su instalacin la estacin se encuentra en constante evolucin. El equipamiento de la misma se ha modificado para aumentar la fiabilidad de los registros. Tambin ha experimentado cambios la forma de almacenar los datos, en este caso con el objetivo de facilitar el tratamiento informtico de los mismos.

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Figura 3.1 Vista de la estacin del GTER

La estacin radiomtrica se compone de una serie de sensores y equipos auxiliares destinados a medir y almacenar las principales variables de radiacin. Los sensores son dispositivos que captan el valor absoluto o la variacin de una determinada magnitud fsica (seal de entrada) y la convierten en una seal de salida apta para su tratamiento electrnico posterior. Estn instalados en la plataforma superior de la estacin de medidas, a 16 metros sobre el nivel del mar. Prcticamente todos los dispositivos funcionan de forma continuada y automtica. A continuacin se describen brevemente. A).PIRANMETROS: Piranmetro Kipp & Zonen, modelo CM21: El piranmetro es el sensor encargado de medir la radiacin global. Este modelo de piranmetro utiliza un sencillo mecanismo de medida. La energa radiante es absorbida por un disco pintado de negro, despus el calor fluye a travs de una resistencia trmica hasta el cuerpo del piranmetro. La diferencia de temperatura entre los extremos de la resistencia se convierte en una tensin proporcional a la irradiancia absorbida, obtenindose as la medida deseada. En cuanto a las caractersticas del dispositivo se deben destacar las cpulas de vidrio, cuya funcin es evitar el deterioro o incorrecto funcionamiento del detector como consecuencia de efectos meteorolgicos. 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 formacin de roco en el interior de la semiesfera. Actualmente este piranmetro registra medidas de irradiancia global horizontal. Especificaciones: - Rango espectral: 305-2800 nm - Sensibilidad: 7-17 V/W/m2 - Tiempo de respuesta: 5 seg. - Temperatura de operacin: de -40C a 80C

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Figura 3.2 Piranmetro Kipp & Zonen, modelo CM21

Piranmetro Eppley blanco y negro, modelo 8-48: Como en el caso anterior este sensor se encarga de medir la irradiancia global. Este modelo de piranmetro consiste en un hilo bobinado radial, una termopila diferencial con los receptores de unin caliente ennegrecidos con una capa superficial negra del tipo 3M Velvet y con los receptores de unin fra blanqueados con sulfato de bario. Cuenta con una base de precisin desmontable y una semiesfera pulida de cristal ptico Schott WG295, que es transparente a la radiacin entre 0.285 y 2.8 m. Tiene tambin tres reguladores de nivel y un absorbedor de humedad, silicagel. En la estacin del GTER se encuentran instalados tres piranmetros de este modelo. Uno de ellos mide irradiancia global inclinada a 37S. Los otros dos se encargan de medir la irradiancia difusa sobre superficie horizontal. Para obtener esta ltima medida se necesitan elementos adicionales que permitan al piranmetro recoger nicamente la componente difusa de la radiacin. Se emplea para ello una banda metlica y un sistema de bolas. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox.10 V/Wm-2 - Impedancia: aprox. 350 - Dependencia con la temperatura: 1,5% sobre un rango de temperatura de -20C a 40C - Linealidad: 1% de 0-1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 5 seg.

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

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Piranmetro Middleton SK01-D :

En este caso el dispositivo utiliza un detector fotodidico que se protege con una cpula de vidrio. Cuenta con un amplificador de seal interno que proporciona una seal de salida en milivoltios, lo que facilita el tratamiento de las medidas. El espectro de radiacin que cubre este sensor, as como la exactitud es mucho menor que en el caso de las termopilas. Este piranmetro est 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 - ngulo de visin: 2 estereorradianes - Tiempo de respuesta (95%): 30 ms

Figura 3.4 Piranmetro Middleton SK01-D

Piranmetro Kipp & Zonen, modelo CM6b Este piranmetro est formado por una termopila y una cpula 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 Piranmetro Kipp & Zonen, modelo CM6b

B).PIRHELIMETROS:

Pirhelimetro Eppley, modelo NIP El pirhelimetro es el dispositivo destinado a medir la radiacin directa normal. El pirhelimetro 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 latn est ennegrecido y cuenta con un diafragma para dirigir el paso de la luz. El tubo est lleno de aire seco a presin atmosfrica 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 alineacin del pirhelimetro con el Sol. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox. 8 V/Wm-2 - Dependencia con la temperatura: 1% sobre un rango de temperatura de -20C a 40C - Linealidad: 0,5% de 0 a 1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 1 seg

Figura 3.6 Pirhelimetro Eppley, modelo NIP

Pirhelimetro Kipp & Zonen, modelo CHP1 Este pirhelimetro est formado por una termopila. En ella el flujo de calor generado por la irradiancia incidente pasa a travs de una resistencia trmica donde la diferencia de temperatura entre los extremos se convierte en una diferencia de tensin como una funcin lineal de la irradiancia absorbida. La ventana del pirhelimetro cubre un rango espectral del 97%. Especificaciones: - Sensibilidad: aprox. 7-14 V/Wm-2 - Linealidad: 0,2% de 0 a 1400 Wm-2 - Tiempo de respuesta: 5 seg

Figura 3.7 Pirhelimetro Kipp&Zonen,

modelo CHP1

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

Figura 3.8: Seguidor Sci-tec, modelo 2AP

D).HELIGRAFO DE CAMPBELL-STOKES: El heligrafo de Campbell-Stokes se encarga de medir la heliofana, es decir, las horas de Sol. Consiste en una esfera de vidrio, montada concntricamente en una seccin de un recipiente esfrico, cuyo dimetro es tal que los rayos de Sol se focalizan en una cartulina sostenida por unas guas. Especificaciones: - Forma: uniforme - Dimetro: 10 cm - Color: transparente - ndice de refraccin: 1,52 +/- 0,2 Bandas de sol: - Material: Papel de buena calidad - Anchura: Con una precisin de 0,3 mm - Espesor: 0,4 +/- 0,05 - Efecto de la humedad: 2% - Color: oscuro, homogneo sin diferencias detectables a la luz del da - Graduaciones: Horas del da impresas en blanco.

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Figura 3.9 Heligrafo de Campbell-Stokes

E).ESCNER HP 34970A DE HEWLETT-PACKARD: Es la unidad de adquisicin de datos. sta realiza las funciones de amplificacin de las seales de los sensores, multiplexin, muestreo y retencin y conversin analgico-digital de las seales 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 analgicos, con tres ranuras para insercin de mdulos multiplexores. - Resolucin de 6 dgitos (22 bits) - Velocidad de muestreo de hasta 250 canales - Un mdulo multiplexor HP 34901A, con 20 canales de entrada (pueden mezclarse canales de 2 y 4 hilos) ms 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 conexin con la unidad de adquisicin por medio de una interfaz HP-IB y un software para las funciones de control del sistema de adquisicin, interfaz de operador y programacin y mantenimiento del mdulo de adquisicin. El programa de la unidad central est desarrollado en lenguaje HP-VEE. G).PANEL DE CONEXIN: El panel de conexin, situado en la misma plataforma de sensores, proporciona una interfaz fsica entre stos y la unidad de adquisicin, facilitando y simplificando la instalacin y el mantenimiento del cableado.

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H).ANEMMETRO VELETA: Anemmetro: - Rango de medida: 0 50 m/s - Umbral de medidas: 0,5 m/s - Precisin: 0,2 m/s Veleta: - Rango de medida: 0-360 - Coeficiente de distancia I).SONDA BAROMTRICA: Se emplea una sonda baromtrica Young modelo 61201 con puerto de presin Young modelo 61002 para la medida de presin atmosfrica. Las caractersticas de la misma son: - Temperatura de operacin: -50 a 60C - Rango de medida: 600 1100 hPa - Precisin: 0,3 hPa a 20C, 1 hPa de -50 a 60C 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 1000 y sensor capacitivo de humedad instalado en un protector de radiacin solar. Humedad relativa: - Temperatura de operacin: -10 a 60 - Rango de medida: 0-100% HR - Precisin a 20C: 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 aos - Seal de salida: 4-20 mA Temperatura: - Rango de medida de calibrado: de -50C a 50C - Precisin a 0C: 0,3C - Seal de salida: 4-20 mA

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3.2: DESCRIPCIN DE LA BASE DE DATOS En el apartado anterior se ha descrito el equipamiento de la estacin, ahora se analiza la evolucin que experimenta la estructura de los archivos almacenados. Los registros de las medidas principales se mantienen durante todos los periodos. A continuacin 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 dgitos, identificados con las letras aa indican el ao al que pertenecen. Los tres dgitos restantes hacen referencia al da juliano en que se toman las medidas. En la Figura 3.10 se muestra un ejemplo de estos archivos:

Figura 3.10: Fichero de radiacin correspondiente al da 39 de1988

La primera fila indica la estacin con que se trabaja, as como el da y ao 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: cdigo de cinco dgitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior segn su fiabilidad - Irradiacin global sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia difusa sobre superficie horizontal (W/m2) - flag: cdigo de cinco dgitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior segn su fiabilidad - Irradiacin difusa sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie inclinada 30 (W/m2) - flag: cdigo de cinco dgitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna

anterior segn su fiabilidad - Irradiacin global sobre superficie inclinada 30 (kJ/m2) - Irradiancia directa normal (W/m2)

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- flag: cdigo de cinco dgitos que etiqueta el valor de la medida tomada en la columna anterior segn su fiabilidad

- Irradiacin 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 irradiacin 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 da se generan dos archivos. El primer tipo se nombra como SRAD-ddd.DAT. En este caso los tres dgitos hacen referencia al da juliano. nicamente se ha modificado el nombre del archivo, ya que mantiene una estructura idntica a los archivos del periodo anterior.

Figura 3.11: Fichero de radiacin correspondiente al da 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 continuacin se muestra:

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Figura 3.12 Fichero de radiacin correspondiente al da 185 de 1996

Las primeras filas indican el da al que pertenecen los datos registrados y las medidas obtenidas. A continuacin aparecen una serie de columnas que almacenan las siguientes variables: - Hora G.M.T.(HH:MM) - Irradiancia difusa sobre superficie horizontal (W/m2) - Irradiacin difusa sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie horizontal (W/m2) - Irradiacin global sobre superficie horizontal (kJ/m2) - Irradiancia global sobre superficie inclinada 30 (W/m2) - Irradiacin global sobre superficie inclinada 30(kJ/m2) - Irradiancia directa normal (W/m2) - Irradiacin directa normal (kJ/m2) - Hora solar aparente (hh:mm) Las medidas se continan registrando en intervalos de 5 minutos. Periodo 3: 1999 2002: Durante este perodo se continan 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 radiacin correspondiente al da 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 comprensin de las variables. Las columnas mantienen idntica estructura que en el caso anterior. Comienzan a almacenarse valores cada 5 segundos. Periodo 4: 2003: A lo largo del ao 2003 se continan almacenando los dos tipos de archivos descritos para el periodo anterior, encontrando la nica novedad en el cambio de extensin de los mismos. Antes se almacenaban con extensin . DAT y ahora pasan a ser .TXT. Periodo 5: 2004 2009: Durante los aos 2004 a 2009 nicamente 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 ningn problema desde el punto de vista matemtico