INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES:

“ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO SOLAR PARA LA SEDE

MACARENA A DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL, A PARTIR DE MEDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR GLOBAL.”

DIEGO YESID ESQUIVEL SILVA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

LICENCIATURA EN FÍSICA

BOGOTA, D.C.

OCTUBRE 2017

INFORME PASANTÍA EN EL GRUPO DE INVESTIGACIÓN FÍSICA DEL MEDIO AMBIENTE Y ENERGÍA SOLAR – GIFMAES:

“ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO SOLAR PARA LA SEDE

MACARENA A DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL, A PARTIR DE MEDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR GLOBAL.”

DIEGO YESID ESQUIVEL SILVA COD. 20082135019

TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE LICENCIADO EN FÍSICA

NELSON LIBARDO FORERO

DIRECTOR

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE CIENCIAS Y EDUCACIÓN

LICENCIATURA EN FÍSICA

BOGOTA, D.C.

OCTUBRE 2017

1

NOTA DE CERTIFICACIÓN

Por medio de la presente CERTIFICO que la estudiante DIEGO YESID ESQUIVEL SILVA con Cód.: 20082135019 ha cumplido con las labores de la pasantía con el grupo de investigación Física del Medio Ambiente y Energía Solar – FMAES, cumpliendo y superando las 384 horas de trabajo comprometidas para el desarrollo de sus actividades.

_______________________________________ Prf. Nelson Libardo Forero Chacón

DIRECTOR

NOTA DE ACEPTACIÓN

Este informe titulado “ESTIMACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO SOLAR

PARA LA SEDE MACARENA A DE LA UNIVERSIDAD DISTRITAL, A PARTIR

DE MEDIDAS DE RADIACIÓN SOLAR GLOBAL”, realizado por DIEGO YESID ESQUIVEL SILVA recibió la calificación APROBADO por cumplir satisfactoriamente los objetivos propuestos.

_______________________________________ Dr. Nelson Libardo Forero Chacón

DIRECTOR

_______________________________________ JURADO

_______________________________________ JURADO

Bogotá, Octubre de 2017

“Lo que hoy queremos es tener un contacto más cercano y mejorar nuestro entendimiento como individuos y comunidades en el mundo entero, así como la

eliminación del egoísmo y el orgullo, siempre propenso a empujar el mundo hacia la barbarie primitiva y el conflicto... La PAZ solo nos puede llegar como la

consecuencia natural de una iluminación universal.”

Nikola Tesla.

AGRADECIMIENTOS

A la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por la formación que logre en cada uno de sus espacios

Al profesor Nelson Libardo Forero Chacón por su acompañamiento en el desarrollo

de este trabajo y las maravillosas clases de física además de sus constantes reflexiones.

Con sincero aprecio a cada uno de los profesores con los que compartí en los

distintos espacios académicos y fuera de ellos. Sus conversaciones me han enriquecido como ser humano.

A mis amadas madres Alicia Vivaz y Esperanza Silva por su incondicional apoyo y

por ver en ellas colmarse de alegría.

TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................. 8

1.1. Objetivos ........................................................................................................ 9

2. CONCEPTOS GENERALES .............................................................................. 10

2.1. Radiación solar. ............................................................................................ 10

2.2. Espectro de la radiación ................................................................................ 10

2.3. Radiación solar global. ................................................................................. 11

2.4. Radiación solar directa, difusa y reflejada ................................................... 12

2.5. Horas de sol estándar (HSS) ......................................................................... 13

2.6. Instrumentos para la determinación de la radiación. .................................... 15

2.7. Tratamiento estadístico y procesamiento de datos ....................................... 16

2.8. Herramientas para el Análisis estadístico. .................................................... 19

3. DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS. .................... 20

3.1. Estudio bibliográfico de conceptos físicos relacionados. ............................. 20

3.2. Desarrollo de la macro – excel vba .............................................................. 20

3.3. Análisis y resultados mediante la macro-Excel. .......................................... 33

3.4. Registro y depuración de las bases de datos de radiación solar global, obtenidas en el grupo de investigación FMAES ..................................................... 36

3.5. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances frente al grupo de investigación y semilleros adscritos a FMAES. ....................................... 36

3.6. Redacción y presentación del informe final. ................................................ 37

3.7. Oportunidades de mejora .............................................................................. 37

3.8. Experiencia adquirida ................................................................................... 37

4. CONCLUSIONES ............................................................................................... 39

5. BIBLIOGRAFÍA. ................................................................................................ 40

LISTA DE FIGURAS.

Ilustración 1.: Espectro Electromagnético. ................................................................. 11

Ilustración 2. Distribución espectral de la radiación solar en las capas atmosféricas externas y de la radiación solar global y directa a nivel del mar, luego de atravesar la capa atmosférica. ......................................................................................................... 11

Ilustración 3. Radiación Difusa y Directa. Tomado: http://users.cecs.anu.edu.au/~Andres.Cuevas/Sun/image/irrad.gif ............................. 13

Ilustración 4: Perfil de radiación Solar global en el tiempo, para un día claro y representación de HSS. ............................................................................................... 14

Ilustración 5: Regla de Trapecio aplicada a una curva ................................................ 17

Ilustración 6: Seccionando por áreas los ∆𝑥 ............................................................... 18

Ilustración 7: Menú para activar la pestaña de Desarrollador en Excel ...................... 21

Ilustración 8: Menú de la pestaña desarrollador / Developer ...................................... 21

Ilustración 9: Nombrar la Macro ................................................................................. 22

Ilustración 10: Ventana de Desarrollador de un UserForm ........................................ 22

Ilustración 11: Panel de hojas, Módulos e UserForm ................................................. 23

Ilustración 12: Panel del UserForm............................................................................. 23

Ilustración 13: Ventana de edición del UserForm y la paleta o Toolbox .................... 24

Ilustración 14: módulo para ingresar líneas de código................................................ 24

Ilustración 15: Pantalla inicial para abrir un libro de Excel e ir a realizar los análisis respectivos a los datos. ................................................................................................ 25

Ilustración 16: Código para el botón “Abrir libro” ..................................................... 25

Ilustración 17: Código para el botón “Análisis” ......................................................... 26

Ilustración 18: Segunda pantalla donde muestra los botones que permitirán obtener los valores sustraídos de los datos de radiación solar y conexiones con otros UserForm ................................................................................................................... 26

Ilustración 19: código para obtener el promedio ......................................................... 27

Ilustración 20: Código para obtener la desviación Estandar ....................................... 27

Ilustración 21: Partes de una gráfica y su código VBA .............................................. 28

Ilustración 22: Código que genera grafica de datos de radiación VS tiempo minuto-minuto) ........................................................................................................................ 29

Ilustración 23: Código para el botón de irradiancia y generar valor sobre el total de datos por día ................................................................................................................ 29

Ilustración 24: Código que arroja el valor de las horas de Sol estándar/Pico ............. 30

Ilustración 25: Código para la cambiar de hoja dentro de un mismo libro donde se generará la gráfica y se guardaran los valores de promedio, Desviación estándar, Irradiancia y HSE ........................................................................................................ 30

Ilustración 26: el primer botón correponde a mostrar al pantalla anterior mediante el código UserForm1.show, el segundo Boton mostrará la siguiente pantalla con el código UserForm3.show, el tercer botón me conecta con el UserForm4 y el botón de SALIR tiene el código que mata el UserForm con escribir End. ......................... 30

Ilustración 27: en esta pantalla se hará el análisis de los datos por mes de acuerdo a los datos que se van guardando en el UserForm4 ....................................................... 31

Ilustración 28: UserForm4 donde se consignaran los datos obtenidos en el UserForm2 y el UserForm3. ........................................................................................................... 31

Ilustración 29: Estableciendo código para cada una de las entradas y de asegurar que por cada entrada se pase a la siguiente fila. ................................................................ 32

Ilustración 30: Al introducir datos de fechas se registre con dicho formato, de lo contrario generará un mensaje que indicara el error ................................................... 32

Ilustración 31: Establece los puntos iniciales del texto en cada texbox ...................... 33

Ilustración 32: Apertura de libro 2016-02-23.xlsx y ejecución de Macro inicial ....... 33

Ilustración 33: Ejecución de Userform2 para realizar el análisis sobre los 1440 datos de radiación solar. ....................................................................................................... 34

Ilustración 34: Resultados arrojados por la Macro. .................................................... 34

Ilustración 35: Macro ejecutada para generar perfil grafico de los datos. .................. 35

Ilustración 36: Macro para salvar los datos en un libro donde se irán acumulando. .. 35

1. INTRODUCCIÓN

El presente trabajo de pasantía realizado con el apoyo del grupo de investigación en Física del Medio Ambiente y Energía Solar (FMAES), es uno de los trabajos que vincula el resultado global de las mediciones originales hechas para diferentes variables ambientales y/o meteorológicas, con las herramientas de análisis estadístico descriptivo, que emplea la estructura y la capacidad tanto en software, como en hardware desarrolladas actualmente. El grupo FMAES se presenta como un espacio interdisciplinar para la investigación en los campos del medio ambiente y de la aplicación de las energías renovables, en el que participan docentes y estudiantes vinculados de las distintas facultades de la Universidad Distrital como lo son estudiantes de Licenciatura en Física, Licenciatura en Biología, Licenciatura en Química, así como Ingenierías, entre ellas ingeniería electrónica, eléctrica, de sistemas, e ingeniería industrial. En cuanto a las líneas de investigación, propone entre otras, el monitoreo y medición de variables medio ambientales como humedad relativa, temperatura ambiente, radiación solar global, difusa, radiación solar ultravioleta y concentración de gases contaminantes atmosféricos.

El grupo de investigación FMAES hasta el año 2012 contaba con una infraestructura básica para una estación meteorológica, a través de las cuales hacía el seguimiento de las variables anteriormente mencionadas; sin embargo, una vez se iniciaron los trabajos de reforzamiento estructural en la sede Macarena A, se vio obligado a desmontar toda la infraestructura desarrollada e instalada a lo largo de más de una década, saliendo de operación la estación de medición y generando perdida de datos diarios desde entonces. Como parte del plan de recuperación y puesta nuevamente en operación, se adelanta parcialmente la reinstalación de cada una de las componentes de medición de la estación FMAES, ahora ubicada en la sede Macarena B.

Este trabajo tiene como objeto el desarrollo de una aplicación básica en software, que corresponde a un desarrollo de Macros de Excel, en VBA, por medio del cual los datos capturados para una de variable de medición de la estación FMAES (en este caso y como prueba, los de radiación solar Global, se analicen estadísticamente, se generen los parámetros estadísticos descriptivos respectivos como promedios, desviación estándar, diarios y mensuales y los perfiles de radiación solar global. Con ello y con base en estas herramientas estadísticas, se hace la estimación del potencial energético solar para la sede Macarena de la Universidad Distrital.

1.1. Objetivos

Objetivo general

Estimación del potencial Energético Solar en la sede Macarena de la Universidad Distrital, a partir del cálculo y análisis estadístico de medidas de radiación solar global.

Objetivos específicos

Búsqueda y revisión bibliográfica referente a los conceptos que están implicados.

Desarrollo conceptual en temas referentes al trabajo.

Desarrollo de herramientas estadísticas y macros necesarias en MO-Excel, que faciliten la caracterización descriptiva estadística.

Capacitación y formación en el manejo de plataformas estadísticas (p.e., SPSS), para análisis.

Análisis y descripción estadística de las medidas de radiación solar global obtenidas a partir de la estación FMAES.

Calculo y estimación del potencial energético solar para la sede Macarena A de la Universidad Distrital, a partir de las medidas de radiación solar global obtenidas por FMAES.

Reconfiguración del software y el hardware involucrados en el instrumento virtual para la medida de la radiación Solar.

Revisión y aplicación del software LabVIEW como lenguaje de programación grafica para el desarrollo del sistema de adquisición de datos de la radiación Solar global.

Presentación de avances en las distintas actividades en el grupo seminario de FMAES y en el semillero KUMANDAY adscrito al grupo FMAES

Redacción y presentación informe final.

2. CONCEPTOS GENERALES

2.1. Radiación solar.

La vida en el planeta tierra tal como se conoce y su compleja dinámica tiene como causa a la radiación solar y su fuente es el Sol. En su núcleo, donde las altas temperaturas y la interacción entre los átomos de Hidrogeno (74.9%), Helio (23.8%) entre otros elementos en menor proporción al 1% como el Oxígeno, Carbón, Neón y el Hierro, liberan fuertes paquetes de energía, dicha energía recorre los 700,000 km de radio que tiene el Sol, propagándose por el espacio y llegando a la tierra en un tiempo de un poco más de 8 minutos, esto debido a la distancia que nos separa del Sol, siendo de unos 150 millones de km, distancia que se le conoce como unidad astronómica (u.a.). En el campo de la física, dicha radiación fue objeto de estudio en distintos tiempos de la humanidad, por considerar algunos nombres significativos, en China con el pensador Mo Tse (479 a.c. – 372 a.c.), el matemático, físico y astrónomo musulman Alhacén (965 d.c. – 1040 d.c.), el físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés Isaac Newton (1643 – 1727 ) y el astrónomo, Óptico y físico ingles Joseph von Fraunhofer (1787 - 1826), quienes pusieron a evidenciaron características intrínsecas de la luz, como la reproducción de una imagen en una caja negra, la descomposición de la luz blanca en colores, la diferencia de temperatura asociada a dichos colores y fuera de los mismos, es así que a la luz visible y no visible se asignaría el nombre de espectro de radiación.

2.2. Espectro de la radiación

La radiación solar es ocasionada por los fenómenos de fusión que se dan al interior del núcleo solar, allí las los gases se mueven a grandes velocidades ocasionando colisiones, consumiendo la masa misma y desprendiendo inmensas cantidades de energía. La radiación se emite en todas las direcciones y en todas las longitudes de onda.

Esta radiación emitida a causa de reacciones termonucleares corresponde a ondas electromagnéticas las cuales se constituyen de campos eléctricos y magnéticos perpendiculares que se van propagando por todo el universo.

El espectro electromagnético abarca desde longitudes de ondas de radio largas, cortas, el infrarojo, el rojo (700nm aprox.) pasando por el visible hasta el violeta (400nm aprox.) luego está el ultravioleta, los rayos X y los rayos Gamma, como se muestra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia..

Ilustración 1.: Espectro Electromagnético.

Tomado de: http://astro-canada.ca/uploads/a3400-electromagnatique-eng-g.jpg

2.3. Radiación solar global.

Por su parte, en la Ilustración 2, se presenta la distribución espectral de la radiación solar, en rojo, correspondiente a las capas atmosféricas externas (AM0), en verde, a nivel dela mar y el espectro en color azul corresponde a la radiación directa a nivel del mar.

Ilustración 2. Distribución espectral de la radiación solar en las capas atmosféricas externas y de la radiación solar global y directa a nivel del mar, luego de atravesar la capa atmosférica.

La intensidad y la distribución espectral de la radiación solar sobre un punto de la superficie terrestre, dependen por tanto de la composición de la atmósfera y de la distancia recorrida por la radiación, como se describe en las distribuciones espectrales representadas con color verde y azul, en la Ilustración 2.

Cuando la radiación del sol incide en la tierra se encontrará con una capa de gas, en consecuencia discurren unos fenómenos debido a la composición de la misma, un fenómeno será el de difusión, otro de absorción y el de reflexión, en el primer caso, los rayos que logran penetrar por los gases atmosféricos interactúan con las moléculas originando una desviación en la dirección con la que llegaron, en el segundo caso, los elementos químicos que componen la atmosfera tiene la capacidad de capturar la radiación, es el caso del vapor de agua y del carbono. En el tercer caso, la radiación que es devuelta al espacio tiene una parte del ultravioleta (UV) esto debido a las moléculas de ozono que impiden traspasar.

Para definir la radiación Solar global según se encuentra estandarizado en los textos especializados, la establecen a partir de la radiación difusa y la radiación directa, donde la difusa es debida a las longitudes de onda que son absorbidas por los gases atmosféricos y que cambian su dirección esparciéndola por toda la bóveda celeste que luego incide sobre la superficie terrestre, en tanto que la radiación directa son los que proviene del sol e inciden sobre la superficie. Su medición se hace a partir de un Pirheliometro que es ubicado sobre una superficie horizontal. Dentro de los cuidados para obtener mediciones exactas, el espacio donde se ubica no tiene cerca edificaciones que interfieran en la radiación incidente como puede serlo al generar sobre sobre el instrumento.

2.4. Radiación solar directa, difusa y reflejada

Radicación Directa: Con procedencia del disco solar llega a la tierra de modo, que sin verse afecta por las distintas capas de gases de la columna atmosférica y haciendo incidencia en la superficie se tiene una parte de la componente de radiación solar la cual se define como radiación directa.

Radiación Difusa: Con la presencia de gases en la atmosfera, la radiación que interactúa con las moléculas del aíre, dispersa dicha radiación en distintos ángulos. La componente difusa que es dispersada por las nubes se le conoce con el nombre de dispersión de Rayleight. Esta dispersión de Rayleight da la coloración azulada al cielo dado que la longitud de onda está en el espectro más azul del espectro

electromagnético. Para su medición se elimina la componente directa y se coloca un piranómetro al cual se le cubrirá del sol directamente, de modo que una banda impedirá dicha radiación.

Radiación Reflejada: La radiación reflejada es la que proviene directamente del sol pero que ésta. Choca con alguna superficie que puede ser la de una casa, edificio o superficie horizontal.

Ilustración 3. Radiación Difusa y Directa. Tomado:

http://users.cecs.anu.edu.au/~Andres.Cuevas/Sun/image/irrad.gif

2.5. Horas de sol estándar (HSS)

La radiación solar global que incide sobre la superficie terrestre tiene una potencia media del orden de 1000 W/m2 para días claros, esto es en general, sin nubes; el comportamiento de un día en estas condiciones, es el comparable al mostrado en la Ilustración 4. Se puede apreciar la manera en que la intensidad de la radiación solar global se incrementa en las horas de la mañana desde su salida y luego decrece en las horas de la tarde, evidenciando el paso del sol desde su salida hasta su ocaso. El área bajo esta curva, es decir la integral bajo la curva corresponde a la potencia media diaria por metro cuadrado.

Una interpretación de esta potencia media diaria por metro cuadrado, acorde con los parámetros climáticos del promedio de radiación solar global 𝐺 (W/m2) y de temperatura promedio 𝑇 (°C) terrestres, que son de 1000 W/m2 y 25°C, es el concepto de Horas de Sol Estándar (HSS). El equivalente del área bajo la curva descrita en la Ilustración 4., es el número de horas con un sol radiando a 1000 W/m2, que

corresponde al área rectangular representada en la ilustración y que permite estimar las Horas de Sol Estándar (HSS).

Ilustración 4: Perfil de radiación Solar global en el tiempo, para un día claro y representación de HSS.

Dicho de otra manera, el número de Horas de Sol Estándar (HSS) , es el número de horas por día equivalentes a un sol radiando a 1000 W/m2, con una temperatura ambiente promedio de 25°C. Es un estimado de horas durante un lapso de tiempo a definir en el día, donde la incidencia de radicación aporta la misma energía o su equivalente a una temperatura de 25° C, que es en la práctica, un buen indicador para estimar, el potencial energético solar. Dos conceptos de importancia a entender en los temas de estudio y aplicación de la energía solar son los de irradiancia e irradiación. La iradiancia se puede entender como una densidad espacial de potencia que incidirá en una superficie (Boreman, 1999). Sus unidades por tanto relacionan la potencia en W (Watts) y de área m2 (metros al cuadrado). Por su parte, la irradiación, hace referencia a la densidad de energía que por hora que incidirá sobre un área determinada que en la práctica recibe una superficie captadora (un módulo fotovoltaico o un colector solar). Se obtiene integrando la irradiancia. Las unidades en este caso corresponden a W-h/m2 y realizando una conversión en términos de la energía se obtiene 3.6KJ/m2.

2.6. Instrumentos para la determinación de la radiación.

Para llevar a cabo las medidas debidas a la radiación que incide en la superficie se describirán algunos instrumentos que son el medio por el cual se recolecta la información respecto a la energía del sol que alcanza la superficie, dentro de los más comunes son los siguientes.

i. Piranómetro

El Desarrollo de este instrumento ha servido para lograr obtener mediciones de la radiación directa y difusa, su funcionamiento se debe a un termopar que se encuentra sobre dos laminas una absorbente y la otra reflectante, originando una diferencia de temperatura que será detectada por el termopar (efecto Seebeck), el termopar está bajo una cubierta transparente que permite el paso de distintos tipos de longitudes de onda. Para hacer mediciones de radiación difusa, se coloca el Piranómetro en una superficie horizontal, un Parasol se ubica sobre la cúpula transparente de manera que bloquee la radiación directa.

ii. Pirheliómetro

Este instrumento en funcionamiento es similar al Piranómetro, sin embargo sus funciones se reducen a medir radiación solar directa de modo que éste debe estar apuntando continuamente hacia la corona solar, por tanto su diseño varia, ubicándose en el fondo de un tubo que reduce la porción de cielo, las paredes que lo forran interiormente es de material absorbente, de manera que se reduzca la reflexión, de igual manera al estar orientado hacia el sol está sujeto a un sistema que le permite hacer seguimiento solar.

iii. Heliógrafo

Instrumento que mide las horas de luz solar, es decir la incidencia continua en un intervalo de tiempo de los rayos del sol, su construcción esférica permite enfocar las longitudes de onda en una cartulina que se ira quemando a medida que el sol se mueve de Este a Oeste, si hay condiciones atmosféricas donde hay bastante nubosidad, la marca en la cartulina será tenue, el cálculo de la insolación corresponde a la longitud de la marca dejada, se encuentra sostenida mediante unos brazos debidamente calibrados, para mejor respuesta se debe tener a un metro del suelo, el modelo más común es el de Campbell-Stokes.

Podemos obtener el coeficiente de insolación mediante el cociente entre el tiempo trascurrido de horas de sol y la duración del día, que consiste en el lapso en el Sol sale y la hora en que se oculta, así se tiene

𝝈 =𝒏

𝑵

Donde:

n corresponde a las horas de Sol.

N corresponde a la salida y puesta de sol.

2.7. Tratamiento estadístico y procesamiento de datos

Dado el objeto de trabajo en la realización de esta pasantía, es de suma importancia el tratamiento que se le den a los datos de radiación solar global G, capturados. Ya que el alto volumen de datos obtenidos requiere de filtraciones y análisis de relaciones entre variables que intervienen, de modo que el procesamiento sea un instrumento que permita revelar los errores a depurar y efectivamente corregir, acercándonos a la fiabilidad que las técnicas estadísticas adecuadas nos pueden de cierto modo asegurar, no obstante los criterios que se definan posibilitan la obtención de la serie de datos que corresponden y dan cuenta del fenómeno, en ello consiste no solo el análisis sino de la debida interpretación de los datos que en esencia están cargados de significado.

En el tratamiento de datos se requiere de una debida manipulación de manera que se logre simplificar aquellos datos que no aporten información y la identificación de patrones logrando el objetivo de conseguir confiabilidad y validez estadística. Para ello se aplicarán los siguientes métodos estadísticos

I. La Media: corresponde a la cantidad de datos que se suman para luego dividirse en el número total de datos según como se define formalmente (valores atípicos?)

𝑋 =∑ 𝑥𝑖

𝑛𝑖=1

𝑛 (1)

Donde: n = Número de Datos

x = Son cada uno de los valores i de la variable

II. La desviación Estándar Es una medida de dispersión de un conjunto de datos. Esta se muestra como un promedio de desviaciones individuales, por tanto la desviación estándar mide la variabilidad o la dispersión de los datos y su presentación formal es la siguiente

𝛿 = √∑ (𝑥𝑖−𝑛

𝑖=1 𝑋)2

𝑛 (2)

III. Media truncada: Para un conjunto de datos de tendencia centra, l media truncada permite recortar datos en la parte inicial y final, descartando partes de información de ambos extremos. Dando así un estimador razonable.

IV. Método del Trapecio o Simpson

Para funciones que no están definidas, el método del trapecio es uno de los métodos más utilizados para hacer una aproximación numérica de una integral definida. Su interpretación es geométrica debido a los intervalos a áreas trapezoidales como se muestra en la figura.

Ilustración 5: Regla de Trapecio aplicada a una curva

De acuerdo a la regla del trapecio podemos conocer el área bajo la curva realizando secciones de trapecio disminuyendo el error que se presenta al seccionarlo. La expresión que se determina para obtener el área se define a partir del área del rectángulo y del triángulo como se muestra

∆𝑥

Ilustración 6: Seccionando por áreas los ∆𝑥

Área del Rectángulo

𝐴𝑟𝑒𝑐 = ℎ1∆𝑥 (3)

Área del Triángulo

𝐴𝑡𝑟𝑖 = ∆𝑥(ℎ2+ℎ1)

2 (4)

De modo que el área del trapecio

𝐴𝑡𝑟𝑎 = ℎ1∆x +∆𝑥ℎ2

2+

∆𝑥ℎ1

2 (5)

𝐴𝑡𝑟𝑎 = ∆𝑥(ℎ1+ℎ2)

2 (6)

Entonces, para la curva que obedece a los datos de irradiación la siguiente expresión nos permite conocer el valor de la Radiación y horas de sol estándar/Pico

𝐻𝑑 = ∑ [(𝑅𝑛+𝑅𝑛+1)∗(𝑡1−𝑡𝑛+1)

2]𝑛−1

1 (7)

Donde: 𝐻𝑑 = Radiación Solar Diaria Wh/m2

𝑅𝑛 = Radiación Wh/m2

h1 h2

𝑡𝑛 = Tiempo de medición

n = número de medidas de radiación

2.8. Herramientas para el Análisis estadístico.

Existen diversas alternativas, con una capacidad similar que nos permitan desarrollar herramientas que a su vez, nos permitan hacer continuamente un análisis estadístico descriptivo, a partir de las bases de datos de radiación solar global. Estas son:

i. SPSS (Statistical Package for the Social Sciences)

Dentro del estudio que se realiza al conjunto de datos a analizar es preciso entender su comportamiento, para ello se hará uso de un sofisticado software implementado en las ciencias sociales y naturales, ya que permite hacer predicciones en el ámbito climatológico y crear previsiones precisas, SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) desarrollado por la empresa de tecnología IBM, dada la capacidad para trabajar con grandes bases de datos, desde su interfaz se puede evidenciar la sencillez para abordarlo y efectuar los más complejos análisis estadísticos.

ii. Macro en Excel con VBA

Excel es un paquete dentro de la oferta Office de Microsoft, en el cual se tiene como función el manejo de datos los cuales pueden ser trabajados de múltiples formas de acuerdo a la necesidad. Las posibilidades de análisis que permite Excel son muy amplias y una de las funciones que se integra a este paquete tiene que ver con Macros. Una Macro es una función que dinamiza las operaciones que son en cierta medida repetitivas, siendo una gran ayuda para minimizar el trabajo de ingreso de datos, organización de los datos, selección de datos y su extracción para algún tipo de uso, es así que una Macro automatiza tareas. La manera en que se desarrolla una Macro puede ser de dos maneras. La primera es por medio de grabar Macro, donde se realizan de manera normal las operaciones y análisis que se consideren y al momento de parar la grabación se abre una ventana la cual corresponde a VBA

(Visual Basic Aplication), donde se consignara el código respectivamente de lo realizado sobre la hoja de cálculo. Por otro lado, la segunda, va directamente a realizar la programación desarrollando un código para generar una Macro que se ejecutara sobre la hoja actual o activa en Excel.

3. DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES DESARROLLADAS.

A continuación se presenta la descripción de cada una de las actividades realizadas en el desarrollo de la pasantía.

3.1. Estudio bibliográfico de conceptos físicos relacionados.

El punto de partida para las actividades de la pasantía consistió en realizar una búsqueda de los temas respectivos en cuanto a los fundamentos físicos, las funciones estadísticas y los datos técnicos de instrumentos además de la parte de programación los cuales se han enunciado en el primer capítulo. Principalmente se tomaron referencias de publicaciones científicas desarrolladas por grupos de investigación cercanos al tema de la pasantía y posteriormente el contenido de los libros especializados. De igual manera la información contenida en la red alojada en blogs, páginas de institutos y publicaciones en revistas.

Búsqueda del software especializado en análisis estadístico tales como SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) y Statistical.

Se recurre a material especializado para la creación de la macro sobre Excel que ejecutara el análisis de los datos de radiación realizando el estudio pertinente del código de programación el cual es VBA (Visiual Basic Application)

Se hace ajuste de Datos arrojados por el sensor y revisión de los mimos

Se establece macro final para realizar los análisis requeridos

Se realizan presentación en el grupo de FMAES socializando los avances que se han dado en el desarrollo de la pasantía

3.2. Desarrollo de la macro – excel vba

Macro: Grabación de Macro

La opción que da Excel para realizar la macro tiene que ver con realizar las acciones que se requieran sin necesidad de escribir líneas de código. Esta función permite ejecutar de manera automática una vez sea a dado stop a la grabación, por tanto será adecuada para quienes no sepan programar.

Para poder hacer uso de esta función nos dirigimos a la pestaña de archivo, al desplegarse el menú hacemos click en Excel Options y activamos la opción de Developer o Desarrollador.

Ilustración 7: Menú para activar la pestaña de Desarrollador en Excel

Una vez activada, se mostrara en las pestañas de Excel junto a Vista. Al hacer Click nos muestra un menú y ubicamos Record Macro o Grabar Macro.

Ilustración 8: Menú de la pestaña desarrollador / Developer

Luego de iniciar la grabación aparecerá una pantalla donde debemos darle nombre a la macro para ser ejecutada.

Ilustración 9: Nombrar la Macro

De modo que al iniciar la grabación podemos ejecutar operaciones o realizar gráficos sobre datos entre muchas más funciones que se requieran hacer repetitivas, de manera que al parar la grabación queda dispuesta la macro para ser ejecutada desde la pestaña Vista Ver Macro

Macro: Programando Macro

Para llevar a cabo la programación de la macro debemos tener abierto una hoja de Excel, seguido oprimimos las teclas ALT + F11 dando apertura a la pantalla de programación.

Ilustración 10: Ventana de Desarrollador de un UserForm

La ventana de desarrollador se compone de las siguientes partes

Ilustración 11: Panel de hojas, Módulos e UserForm

En la ilustración 5 se muestra un panel en el que aparecerán las hojas en las que se este trabajando, si es el caso de abrir más libros u hojas podrán visualizarse de igual manera también contiene los módulos donde se escribirá líneas de código y los UserForm que se ejecutaran sobre algún libro activo.

Ilustración 12: Panel del UserForm

En el panel que se muestra en la ilustración 6 se puede ver las opciones que se requieran modificar cuando se desarrolla un UserForm con comman button, texbox. Este nos permite cambiar el color de presentación de cada objeto que seintegre al Userform asi como también formato de letra, Tamaño además de opciones de funcionamiento de los distintos botones según paleta.

Ilustración 13: Ventana de edición del UserForm y la paleta o Toolbox

En la ventana del UserForm se puede ampliar o reducir según corresponda a al formulario que se desee realizar e igualmente se tendrá en cuenta los objetos que lo integren de acuerdo a las opciones del Toolbox.

Ilustración 14: módulo para ingresar líneas de código

Con una primera línea incial de sub () se inicia la inserción del código y finaliza cerrando el cuerpo del código con un End Sub.

El estudio del código VBA para realizar la macro contempla inicialmente la realización de programas sencillos que permitan evidenciar como se ejecuta una macro a partir de diferentes códigos que obedecen a programas diversos.

Una vez se reconoce de forma básica el código se inicia la construcción de la macro donde se tiene en cuenta el cómo se visualizara y la dinámica de ésta, es así que se dará el paso a paso para el desarrollo de la macro junto con las líneas de código.

Ilustración 15: Pantalla inicial para abrir un libro de Excel e ir a realizar los análisis respectivos a los datos.

Ilustración 16: Código para el botón “Abrir libro”

Ilustración 17: Código para el botón “Análisis”

Mediante la línea de código Userform.Show me enlaza el siguiente UserForm donde se presentan los análisis con los valores de acuerdo a los datos tomados.

Ilustración 18: Segunda pantalla donde muestra los botones que permitirán obtener los valores sustraídos de los datos de radiación solar y conexiones con otros UserForm

Las siguientes imágenes serán los códigos asociados a cada botón (comandbotton). La descripción estará dentro del código en color verde

Ilustración 19: código para obtener el promedio

Ilustración 20: Código para obtener la desviación Estandar

Para la construcción del código que genere el grafico se muestra a continuación las partes que lo componen y su respectivo name code.

Ilustración 21: Partes de una gráfica y su código VBA

Tomado: https://www.allexcel.com.ar/programacion%20VBA/Graficos-en-VBA/Partes%20de%20un%20graafico/Partes-de-un-grafico.php

Para el caso de los datos de radiación, el grafico estará compuesto por 1440 Datos por día que se ajustarán en el eje “Y”, mientras que en el eje “X” se ubicara el tiempo minuto a minuto desde las 00:59 hasta las 23:59.

Ilustración 22: Código que genera grafica de datos de radiación VS tiempo minuto-minuto)

Ilustración 23: Código para el botón de irradiancia y generar valor sobre el total de datos por día

Ilustración 24: Código que arroja el valor de las horas de Sol estándar/Pico

Ilustración 25: Código para la cambiar de hoja dentro de un mismo libro donde se generará la gráfica y se guardaran los valores de promedio, Desviación estándar, Irradiancia y HSE

Ilustración 26: el primer botón correponde a mostrar al pantalla anterior mediante el código UserForm1.show, el segundo Boton mostrará la siguiente pantalla con el código UserForm3.show, el tercer botón me conecta con el UserForm4 y el botón de SALIR tiene el código que mata el UserForm con escribir End.

Ilustración 27: en esta pantalla se hará el análisis de los datos por mes de acuerdo a los datos que se van guardando en el UserForm4

Ilustración 28: UserForm4 donde se consignaran los datos obtenidos en el UserForm2 y el UserForm3.

El UserForm4 se compone de los siguientes códigos el cual permite el ingreso de datos para luego ser guardados en un libro y posteriormente limpiar los datos escritos en el UserForm4

Ilustración 29: Estableciendo código para cada una de las entradas y de asegurar que por cada entrada se pase a la siguiente fila.

Ilustración 30: Al introducir datos de fechas se registre con dicho formato, de lo contrario generará un mensaje que indicara el error

Ilustración 31: Establece los puntos iniciales del texto en cada texbox

3.3. Análisis y resultados mediante la macro-Excel.

A modo de registro en el documento se presenta un ejemplo de análisis y resultados arrojados por la macro. Para iniciar se abre un libro con un fecha determinada y sobre esos datos obtenidos se corre el programa.

Ilustración 32: Apertura de libro 2016-02-23.xlsx y ejecución de Macro inicial

Ilustración 33: Ejecución de Userform2 para realizar el análisis sobre los 1440 datos de radiación solar.

Ilustración 34: Resultados arrojados por la Macro.

Ahora, sobre los datos de Radiación Global y tiempo de adquisición de datos generamos una gráfica que nos da el comportamiento. El perfil de radiación que se muestra en la gráfica obedece a la variación que se tuvo durante el día en cuanto a momentos claros otros con presencia de nubes. Se evidencia en el comportamiento de los datos que el total de radiación que se puede aprovechar no es ni constante, ni alto.

Ilustración 35: Macro ejecutada para generar perfil grafico de los datos.

Posteriormente se abre desde la macro el libro de Banco de Resultados.xlsm donde se procederá a pasar a al Useform 3 donde se alojarán los resultados por cada libro que se analice.

Ilustración 36: Macro para salvar los datos en un libro donde se irán acumulando.

De tal manera, que la ejecución de la macro permitirá además de obtener resultados diarios ir registrandolos. Así se concentrará una base de datos donde se procederá a realizar otro analisis pero esta vez será mensual.

3.4. Registro y depuración de las bases de datos de radiación solar global, obtenidas en el grupo de investigación FMAES

El sistema de adquisición de datos ha sido desarrollado bajo la configuración de la Instrumentación Virtual y durante los años xxx se han tomado medidas de radiación solar global. Estos datos han sido revisados en el transcurso del tiempo de la pasantía, evidenciando en ellos un significativo número de datos para ser analizados. Para dicha revisión se tiene en cuenta cómo se muestran en el libro de Excel, siendo que a cada día de captura se genera por medio del sistema de adquisición de datos, una base que aloja en un archivo Excel por día de medición. Al comenzar la revisión de datos se encontró que en la celda A1 que corresponde al tiempo, ésta presentaba en formato tiempo en horas antecedido, unos puntos y comas (;), lo cual implicaba ajustarlos desde la configuración del sistema en cuanto a la forma en que reconocía el punto (.) y la coma (,). Una vez ajustada desde el sistema, se procedía a eliminar el punto y coma de las horas.

3.5. Presentación y sustentación de las distintas actividades y avances frente al grupo de investigación y semilleros adscritos a FMAES.

En el transcurso de la pasantía dentro del grupo de investigación, se iba realizando una socialización de los elementos más significativos. Presentación que se realizaba ante los integrantes del grupo FMAES. De manera tal que el desarrollo de la pasantía se alimentaba de las sugerencias que se presentaban.

Parte de las actividades académicas programadas por el grupo FMA&ES, son la realización de un seminario interno que se desarrolla semanalmente en dos horas y en el que se realiza la socialización de los avances de cada uno de los diferentes trabajos vinculados con el grupo de investigación, lo que es importante para dar a conocer el estado del proyecto y recibir observaciones por parte de los integrantes del grupo. Cada una de las socializaciones se ha realiza con una presentación en diapositivas en las que se ponen en común avances y se debate sobre el tema.

Adicionalmente varios de los temas relacionados en el objeto de estudio de la pasantía se presentaron en los seminarios del grupo FMAES desde finales del 2014, así como en el curso electivo de Fundamentos y aplicaciones de Energía Solar,

desarrollado durante el 2015-1 y en durante el periodo 2015-3 en el que se tomó el curso electivo de “Instrumentación Virtual y adquisición de datos”, como fundamento de formación en temas de programación en lenguaje grafico en particular en el manejo de LabVIEW. Durante el periodo 2016-1 se realizaron diversas presentaciones respecto a programación en Visual Basic, hasta el momento en que fueron suspendidas las actividades de la pasantía, a mediados del mes de febrero de 2016 hasta el mes de mayo del año en curso, dada la intervención de las instalaciones donde se encuentra ubicado el grupo FMAES.

3.6. Redacción y presentación del informe final.

El presente informe está enmarcado en los objetivos específicos donde se abarca el desarrollo conceptual posteriormente los elementos que permitían el análisis estadístico de los datos y la obtención de datos. Seguido se presenta a manera de paso a paso la creación de la macro para terminar con las reflexiones y conclusiones alrededor de lo que fue la pasantía en el grupo de investigación de FMA&ES.

3.7. Oportunidades de mejora

Como resultado del trabajo de pasantía y respondiendo a los objetivos de la misma. Se pudo desarrollar un programa que permita realizar los análisis respectivos a los datos que se vayan tomando. Si bien el programa o macro responde a características básicas de análisis, es de considerar potencializarla para que se puedan agregar funciones más descriptivas y el estudio de más variables. De modo que sobre dichos análisis se puedan gestar proyectos de medición y seguimiento no solo de la radiación global sino difusa, directa y reflejada.

Otra característica de mejora que se puede implementar a partir del potencial energético calculado por medio de las HSE y que se establece a través de la Macro tiene que ver con el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico. Dado que un dato determinante, Son las HSE que permiten desarrollar los cálculos de acuerdo a la irradiación que incide en la sede Macarena A de la Universidad Distrital.

3.8. Experiencia adquirida

La oportunidad que se me dio en el grupo de investigación FMA&ES al desarrollar la pasantía en el área de las energías alternativas y su estudio; no solo práctico sino teórico. Me permitió ahondar sobre temas que hoy en día, son de vital importancia. Es un campo que desde la física tiene mucho campo para ser estudiado y que además

concierne a la comunidad académica, no académica y escolar. En tanto que su difusión desde la investigación puede generar mayor conciencia sobre la importancia de apoyar el estudio y la implementación de otras fuentes de energía no contaminante.

De otra manera, desarrollar esta pasantía se configuro en un entramado de retos que se presentaban. Siendo que la actividad de investigación tiene que ver con nuevos aprendizajes. Es el caso del desarrollo de la Macro. Donde la revisión y comprensión del código de programación Visual Basic, me insto a una dedicación de estudio para lograr acercarme a su funcionamiento y su uso. Al igual que la programación. Fue también un proceso de profundización en el estudio de la física de la energía solar en cuanto a su fenomenología. En general trabajar en esta pasantía me genero nuevas inquietudes y la formulación de propuestas que se puedan llevar a cabo tanto en el campo de la investigación como en la educación.

4. CONCLUSIONES

Se implementó una macro para el análisis de datos de radiación solar global diarios y mensuales.

Se Logró obtener el perfil gráfico de la radiación solar global diario mediante la ejecución de la Macro.

Se obtuvo el valor de las horas de sol estándar HSS (Hours sun Standard). De modo que se deja un aporte para que pueda desarrollarse el dimensionamiento de un sistema fotovoltaico autónomo.

Se generó el código base para en VBA (Visual Basic Aplication) para la ejecución de la Macro, el cual queda abierto para las modificaciones requeridas por el grupo de investigación FMA&ES.

Se desarrolla una macro la cual puede ser modificada para ampliar el análisis de otras variables medio ambientales.

En el transcurso de la pasantía, sobre la base de la metodología de trabajo se propició espacios de reflexión y discusión sobre el tema de trabajo.

EL programa desarrollado queda como insumo para trabajos posteriores de mejoras y análisis de otras variables.

El estudio y el trabajo dedicado proporciono mayor profundización en los temas mencionados además de fortalecer el conocimiento sobre las energías renovables.

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