Estudio sobre propagación atmosférica en la banda de los THz: influencia de gases y nubes en 100 y 300 GHz.

La presente Tesis Doctoral fue desarrollada en el marco del proyecto Consolider-Ingenio 2010 CSD2008-00068 (TeraSense), financiado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España. Dentro este contexto, el grupo GTIC-Radiocomunicaciones de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha llevado a cabo una serie de estudios, los cuales se centran específicamente en propagación atmosférica bajo condiciones de ausencia de lluvia en 100 y 300 GHz. Durante la primera etapa de esta investigación se ha llevado a cabo la caracterización y estimación de la atenuación total atmosférica y temperatura de brillo en ambas frecuencias, usando para ello perfiles atmosféricos. Con este propósito, se han obtenido datos de sondeos realizados en la estación de Madrid/Barajas, correspondientes a un periodo de 5 años. A partir de esta base de datos, así como de modelos de estimación, y asumiendo la validez de la aproximación de Rayleigh hasta 300 GHz, se han calculado las distribuciones acumuladas anuales de gases, nubes, y atenuación total, además de los correspondientes niveles de temperatura de brillo. Los principales resultados muestran que, a medida que aumenta la frecuencia, el vapor de agua tiene una fuerte influencia negativa, la cual es claramente dominante en 300 GHz. Así mismo, los estadísticos anuales de temperatura de brillo en 100 GHz han mostrado que la estimación de la atenuación total, a partir de medidas radiométricas, podría realizarse durante la mayor parte del tiempo, salvo en condiciones de lluvia. En 300 GHz, esta estimación sería difícil de realizar a partir de esta técnica, siendo posible únicamente durante periodos caracterizados por bajas concentraciones de vapor de agua en la atmósfera y ausencia de precipitaciones. Se ha introducido en esta investigación un método para identificar la presencia de condiciones de lluvia durante la realización de un sondeo, con el objetivo de descartar estos eventos de los estadísticos anuales de atenuación en ambas frecuencias. Este tipo de escenarios son generalmente evitados durante la realización de medidas radiométricas o cálculos basados en datos de sondeos. El procedimiento de detección se basa en el análisis de un conjunto de parámetros, algunos de ellos extraídos de observaciones sinópticas de superficie, además de la definición de un umbral de contenido integrado de agua líquida, ILWC. El funcionamiento del método ha sido evaluado bajo diferentes condiciones climatológicas, correspondientes a tres estaciones diferentes en España, donde se verificó también la existencia de datos pluviométricos. El uso del método ha demostrado que, en ausencia de registros de intensidad de lluvia, puede ser una herramienta útil de detección, cuyo comportamiento es conservador, debido a que el número de eventos que descarta es siempre mayor que el observado por un pluviómetro. Los resultados que se obtienen son buenos cuando se comparan las distribuciones acumuladas anuales de atenuación total obtenidas excluyendo los eventos detectados por el método y por los registros pluviométricos. En colaboración con el Grupo de Microondas y Radar de la UPM, se ha realizado una campaña de medidas radiométricas en 99 GHz, entre el 11 y el 24 de abril de 2012, con el fin de estimar la atenuación total a lo largo de un trayecto inclinado. Las series temporales obtenidas son consistentes con lo que se esperaba de este tipo de medidas: un nivel de referencia de baja atenuación en ausencia de nubes o lluvia, y aparentemente una buena compensación de las variaciones en la ganancia del receptor gracias a un procedimiento manual de calibraciones con carga caliente. Así mismo, se han observado claramente los efectos de la presencia de nubes sobre los resultados, hecho que confirma la mayor sensibilidad de las medidas en esta frecuencia a la presencia de agua líquida, en comparación con medidas simultáneas realizadas por un radiómetro en 19.7 GHz. Finalmente, se han observado un buen nivel de correspondencia entre los valores de atenuación estimados por el radiómetro en 99 GHz y aquellos estimados mediante sondeos meteorológicos, lo cual constituye una conclusión valiosa de cara a futuras campañas de medidas de mayor duración.

Estimación de parámetros de propagación atmosférica en ausencia de lluvia utilizando escalado en frecuencias y otras técnicas

Las comunicaciones por satélite tienen cada vez mayores necesidades de espectro, con el objetivo de ofrecer servicios de banda ancha, tanto de comunicación de datos como de radiodifusión. En esta línea, se está incrementando de manera importante el uso de frecuencias en la banda Ka (20 y 30 GHz), que se verá complementada en el futuro por la banda Q/V (40 y 50 GHz) y por frecuencias en la banda W (por encima de 60 GHz). En estas frecuencias, microondas y ondas milimétricas, la troposfera produce importantes efectos de propagación. El más estudiado es el efecto de la lluvia, que produce desvanecimientos muy profundos. Sin embargo, la lluvia está presente en porcentajes de tiempo pequeños, típicamente inferiores al 5% en los climas templados. El resto del tiempo, más del 95% por ejemplo en los climas mencionados, los gases y las nubes pueden causar niveles importantes de atenuación en estas frecuencias. La Tesis aporta un nuevo modelo (Modelo Lucas-Riera), consistente en un conjunto de polinomios de aproximación para realizar, en ausencia de lluvia, la estimación de determinados parámetros de propagación, partiendo de otros datos que se suponen disponibles. El modelo está basado en datos obtenidos de radiosondeos meteorológicos y modelos físicos de atenuación por gases y nubes, que son los fenómenos más relevantes en ausencia de lluvia, y tiene en cuenta las características climatológicas del emplazamiento de interés, utilizando la clasificación climática de Köppen. Este modelo es aplicable en las bandas de frecuencias entre 12 y 100 GHz (exceptuando 60 GHz), donde se aproximarían los mencionados parámetros de propagación en una frecuencia a partir de los obtenidos en otra, en el caso de la atenuación y la temperatura de brillo, o bien se estimaría la temperatura media de radiación a una determinada frecuencia partiendo de la temperatura de superficie. Con este modelo se puede obtener una aproximación razonable si se conoce la Zona Climática de Köppen de la localización terrestre para la que queremos calcular las aproximaciones y en caso de que ésta se desconozca se aporta una Zona Global, que representa toda la superficie terrestre. La aproximación que se propone para realizar el escalado en frecuencia puede ser útil en los enlaces de comunicaciones por satélite, en los que a menudo se dispone de información en relación a los parámetros de propagación a una determinada frecuencia, por ejemplo en el enlace descendente, y sería de utilidad conocer esos mismos parámetros en el enlace ascendente de cara a poder mitigar los efectos que tiene la atmósfera sobre la señal emitida (atenuación, desvanecimiento, etc). En el caso de la temperatura media de radiación, la aproximación que se propone podría ser útil de cara a la realización de medidas de radiometría, diseño de equipamiento de instrumentación o comunicaciones por satélite.

Producción de Hidrógeno mediante energía solar térmica de alta temperatura.

Este proyecto versa sobre el estudio y diseño de una central termosolar de torre central, así como de su rendimiento y producción. La característica especial de esta planta es que tiene como fin suministrar calor a un proceso químico: cracking térmico del metano para la producción de hidrógeno. Debido a que el cracking térmico tiene lugar en el interior de un tanque de metal líquido (reactor químico) y al peso del mismo, resulta conveniente dejar el reactor a nivel de suelo. Así pues, los rayos solares tienen que descender desde la parte superior de la torre hasta el reactor. Los rayos solares se reflejan en los heliostatos para volver a ser reflejados en la parte superior de la torre, donde hay otro espejo que conduce los rayos solares hasta el reactor. La localización elegida para realizar el estudio ha sido Tabernas, cerca de la Plataforma Solar de Almería (PSA). De la estación SIAR (Sistema de Información Agroclimática para el Regadío del Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente del Gobierno de España). de Tabernas precisamente se han obtenido los datos de radiación global, y mediante una correlación kd-kt, se ha obtenido la radiación directa. Para el estudio de la energía aportada por el campo solar, se ha elegido un campo norte de heliostatos, debido a que un campo circular además de tener menor rendimiento en este proyecto no sería factible. Los heliostatos considerados son cuadrados de 11 x 11 m. Estos heliostatos apuntan hacia el punto (0, 0, 100) m en el sistema de coordenadas absoluto considerado para el proyecto, que coincide con una altura a 100 m en el centro interior de la torre. Este punto es uno de los focos del elipsoide virtual, del cual forma parte el reflector (espejo situado en la parte superior) y cuyo otro foco se sitúa en la parte superior del receptor (reactor), cuyo fin es dirigir los rayos hacia el reactor, como se ha indicado. Una vez definido el proyecto, se lleva a cabo un dimensionado del campo solar, con el cual puede obtenerse un campo de heliostatos. Tras realizar la simulación, se obtienen datos instantáneos y medios. A modo de ejemplo, se incluye el rendimiento por bloqueos y sombras a las 9 h de la mañana en enero, donde puede observarse que la sombra de la torre tiene una alta importancia sobre los heliostatos situados en la zona oeste. Del mismo modo, se han obtenido los datos de incidencia de los rayos solares sobre el receptor, de forma que puede caracterizarse la incidencia del flujo térmico sobre el mismo mediante un mallado. A continuación se incluye una imagen del número de rayos solares que inciden sobre el receptor a las 12 h en junio. Las conclusiones que pueden extraerse del proyecto son:  El rendimiento anual de la planta es del 26 %.  La producción anual de hidrógeno sería de 163,7 t.  Para mayores potencias de plantas el rendimiento por sombras y bloqueos sería menor, al igual que el asociado al efecto coseno, a la dispersión y absorción atmosférica y al factor de interceptación.  Para reducir el efecto del tamaño en los dos primeros rendimientos mencionados en el párrafo anterior podría elevarse la altura de la torre.  Para aumentar el factor de interceptación podría estudiarse la colocación de espejos en el interior de la torre, de modo que reflejasen los rayos solares hasta el receptor.