40 Jose Beltran Adan

cenidet

Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Coordinación de Mecatrónica

Tesis de Maestría en Ciencias

Prototipo fotovoltaico con seguimiento del Sol para procesos electroquímicos

Presentada por

Ing. Mecánico José Beltrán Adán

Como requisito para obtención del grado de:

Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica

Directores de Tesis:

Dr. Carlos Daniel García Beltrán M.C. Jose Luís González Rubio Sandoval

Jurado:

M.C. Wilberth Melchor Alcocer Rosado Dr. Jorge Aguirre Romano

Dr. Alberto Álvarez Gallegos

Cuernavaca, Morelos, México. Noviembre de 2007

Dedicatoria:

A mis padres, que mostraron un entusiasmo sin igual a lo largo de

esta aventura, festejando como suyos los logros obtenidos y sufriendo

los tropiezos a la par, espero disfruten este logro tanto como yo.

José Beltrán Adán

Agradecimientos: A mis padres, por su apoyo incondicional y entusiasmo compartido. Por los esfuerzos y sacrificios realizados. A mis hermanos, por su alegría y cariño, por conformar esa maravillosa familia que tenemos y ha sido el mejor respaldo y motivación. A mi tía Juana, el Tello y Yazmín, por haberme soportado tanto tiempo, nunca les terminaré de agradecer lo que hicieron por mi y espero algún día poder retribuirles. A mi familia, que siempre mostró interés y preocupación, por los ofrecimientos de apoyo, pero sobre todo por la confianza que siempre me demostraron. A mis compañeros de maestría, por compartir sus conocimientos, por su ayuda y por los momentos tan agradables que pasamos juntos. A los profesores del CENIDET, por sus enseñanzas y sugerencias, su apoyo y amistad.

José Beltrán Adán

Resumen Este trabajo presenta el desarrollo de un sistema fotovoltaico con seguidor solar para

alimentación de energía a procesos de electrólisis. Su desarrollo se baso en la aplicación

específica y se le añadió un seguidor solar para mejorar su eficiencia. Para el diseño del

seguidor solar se realizo un estudio detallado de las características de los módulos

fotovoltaicos para conocer de manera previa la ganancia que se podía obtener con el

seguidor solar y la energía que producen. En base al análisis de las características y

funcionamiento de los diferentes seguidores solares en el mercado se determinó cual de

ellos presenta el mejor rendimiento a lo largo del año. Se diseñaron y construyeron los

componentes específicos que requirió el sistema de acuerdo a la aplicación. Finalmente se

realizaron pruebas de funcionamiento del sistema con lo que se obtuvo un panorama

general de su rendimiento bajo distintas condiciones y época del año y se demostró que

resulta adecuado como alimentación de la aplicación específica.

Palabras claves: sistema fotovoltaico, seguidor solar

Abstract

This work shows the development of a photovoltaic system with a sun tracker as

energy supply to processes electrolysis. Its was based on the specific application and a sun

tracker was added to improve its efficiency. For the design of the sun tracker was

conducted a detailed study of the characteristics of photovoltaic modules to know how

much energy would be produced and the expected improvement. Based on the analysis of

the characteristics and performance of the different sun trackers in the market was

determined which of them has the best performance over the year. It was designed and built

specific components requiring the system according to the application. Finally functioning

tests were of the system which got an overview of its performance under different

conditions and time of the year and showed that it is right to supply to the specific

application.

Keywords: photovoltaic system, sun tracker

Contenido

Lista de Figuras........................................................................................................ i Lista de Tablas ........................................................................................................ v Nomenclatura ........................................................................................................ vii

CAPÍTULO I Introducción ................................................................................................ 1

1. El Sol como Fuente de Energía..................................................................... 2 2. Sistema Fotovoltaico ..................................................................................... 3

3.1. Transformación de la energía, Módulos fotovoltaicos ............................... 4

3.2. Almacenamiento de la energía, Controlador de Carga y Baterías ............ 5

3.3. Aprovechamiento de la energía, convertidores CD-CD e inversores ........ 7

3.4. Eficiencia de los sistemas fotovoltaicos .................................................... 7

4. Objetivos de la tesis....................................................................................... 9 5.1. Objetivo general ........................................................................................ 9

5.2. Objetivos Específicos................................................................................ 9

5.3. Planteamiento del Problema ..................................................................... 9

5.4. Hipótesis de trabajo ................................................................................ 10

5.5. Descripción del documento..................................................................... 10

CAPÍTULO II Fundamentos Teóricos ............................................................................ 11

1. Energía Solar Fotovoltaica .......................................................................... 11

1.1. Fenómeno fotovoltaico............................................................................ 12

1.2. Modelado de la Celda Fotovoltaica (PV)................................................. 13

1.2.1. Circuito eléctrico equivalente ........................................................... 14

1.2.2. Modelo Matemático de una celda PV .............................................. 16

1.2.3. Solución de la ecuación I-V ............................................................. 19

1.2.4. Evaluación de las pérdidas internas de la celda PV ( SR )................. 22

1.2.5. Potencia eléctrica y rendimiento ...................................................... 23

Contenido

2. El Seguidor Solar ......................................................................................... 23 2.3. Movimientos del planeta con respecto al Sol .......................................... 24

2.3.1. La hora solar .................................................................................... 26

2.4. Ubicación de la trayectoria solar ............................................................. 27

2.5. Tipos de seguidores solares ................................................................... 30

2.5.1. Seguidor solar pasivo ...................................................................... 30

2.5.2. Seguidores solares activos .............................................................. 32

CAPÍTULO III Diseño del seguidor Solar ................................................................... 35

1. Selección del tipo de seguidor ................................................................... 36

1.1. Comparación de los seguidores solares ................................................. 36

1.1.1. Vector normal y Algoritmo de control ............................................... 37

1.1.2. Rendimiento de los seguidores solares ........................................... 40

2. Acotación del ángulo de seguimiento........................................................ 42 3. Diseño de la estructura del seguidor ......................................................... 43

3.1. Selección del actuador............................................................................ 43

3.2. Diseño del seguidor ................................................................................ 44

4. Determinación de las fuerzas en el seguidor ............................................ 47 4.1. Velocidad del viento ................................................................................ 47

4.2. Presión del viento.................................................................................... 48

4.3. Empujes dinámicos paralelos al viento ................................................... 48

5. Análisis de los esfuerzos en la estructura................................................. 50 6. Control del seguidor .................................................................................... 52

6.1. Diseño de la tarjeta de control del seguidor ............................................ 52

6.2. Diseño del sistema de control ................................................................. 54

7. Construcción del prototipo ......................................................................... 55

CAPÍTULO IV Diseño del sistema de potencia y monitoreo..................................... 57

1. Sistema de Potencia .................................................................................... 58 1.1. Requerimientos del Regulador CD-CD ................................................... 58

1.2. Selección y configuración del regulador.................................................. 59

2. Sistema de Monitoreo.................................................................................. 60 2.1. Medición del Voltaje ............................................................................... 61

2.2. Medición de la Corriente ........................................................................ 61

2.3. Interfaz de monitoreo .............................................................................. 63

CAPÍTULO V Integración y Pruebas del sistema ...................................................... 65

1. Integración del sistema ............................................................................... 66 2. Pruebas y resultados del sistema .............................................................. 68

2.1. Pruebas y resultados de los componentes ............................................. 69

2.1.1. Seguidor solar.................................................................................. 69

2.1.2. Sistema de potencia ........................................................................ 75

2.1.3. Sistema de monitoreo ...................................................................... 79

2.1.4. Pruebas al subsistema de almacenamiento de energía .................. 80

2.2. Sistema completo.................................................................................... 81

Conclusiones y trabajos futuros........................................................................ 85

1. Conclusiones................................................................................................ 85 2. Mejoras y trabajos futuros .......................................................................... 87

Bibliografía........................................................................................................... 89 Anexo A Electrólisis y energía Solar ....................................................... 93 Anexo B Manual de operación del prototipo .......................................... 97 Anexo C Costo del prototipo.................................................................. 103 Anexo D Dibujos técnicos del seguidor solar ...................................... 105

i

Lista de Figuras

Descripción Pág.

Figura 1.- Recurso solar a nivel mundial................................................................................ 2

Figura 2.- Diagrama a Bloques de un Sistema Fotovoltaico .................................................. 4

Figura 3.- Formación de Módulos fotovoltaicos [Rodríguez, 2004]..................................... 4

Figura 4.- Diagrama a bloques del funcionamiento del Regulador de Carga......................... 6

Figura 5.- Eficiencia de un sistema fotovoltaico [Sandia, 2007]............................................ 8

Figura 6.- Diagrama básico de una celda o célula fotovoltaica........................................... 13

Figura 7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003]........................................ 14

Figura 8.- Esquemático de la celda PV [Townsend, 1989] .................................................. 15

Figura 9.- Circuito Eléctrico equivalente de la celda PV [Eckstein, 1990].......................... 15

Figura 10.- Factor de llenado................................................................................................ 19

Figura 11.- Movimiento de Rotación de la Tierra ................................................................ 24

Figura 12.- Movimiento de Traslación de la Tierra.............................................................. 25

Figura 13.- Variación en la declinación por efecto del movimiento de traslación............... 26

Figura 14.- Hora solar........................................................................................................... 27

Figura 15.- Ubicación de un punto en la Tierra.................................................................... 28

Figura 16.- Ubicación del Sol............................................................................................... 29

Figura 17.- Seguidor Pasivo, primera etapa ......................................................................... 31

Figura 18.- Seguidor Pasivo, segunda etapa......................................................................... 31

Figura 19.- Seguidor Pasivo, tercer etapa............................................................................. 32

Figura 20.- Seguidor solar de un eje azimutal ...................................................................... 33

Figura 21.- Seguidor solar de un eje horizontal ................................................................... 33

Figura 22.- Seguidor solar de un eje polar ........................................................................... 34

Figura 23 Seguidor solar de dos ejes .................................................................................... 34

Figura 24.- Vector de trayectoria del Sol ............................................................................. 36

Figura 25.- Vector normal al plano, seguidor azimutal........................................................ 37

Figura 26.- Ángulo de control en el seguidor horizontal...................................................... 38

Figura 27.- Vector normal al Plano, seguidor horizontal ..................................................... 39

Figura 28.- Generación de energía mensual con y sin seguidor solar .................................. 40

Figura 29.- Rendimiento de seguidores solares.................................................................... 41

Descripción Pág.

ii

Figura 30.- Acotación del periodo de seguimiento............................................................... 42

Figura 31.- Acotación del ángulo de seguimiento................................................................ 43

Figura 32.- Actuador del seguidor solar ............................................................................... 44

Figura 33.- Poste de soporte y eje de altura.......................................................................... 45

Figura 34.- Solución al ángulo de altura............................................................................... 45

Figura 35.- Solución al ángulo de azimut............................................................................. 46

Figura 36.- Soporte de los módulos...................................................................................... 46

Figura 37.- Sujeción de los módulos y del actuador ............................................................ 47

Figura 38.- Fuerzas en la estructura de los módulos ............................................................ 50

Figura 39.- Diagrama de momentos y fuerzas cortantes ...................................................... 51

Figura 40.- Componentes del sistema de control ................................................................. 53

Figura 41.- Diagrama esquemático del hardware de control................................................ 53

Figura 42.- Diagrama de Flujo del software de control........................................................ 55

Figura 43.- Seguidor solar .................................................................................................... 56

Figura 44.- Regulador Lineal, configuración básica [LT1083]] .......................................... 59

Figura 45.- Eliminación del voltaje de referencia [LM317]................................................. 60

Figura 46.- Regulador de Voltaje 0 - 10 V 6A ..................................................................... 60

Figura 47.- Puntos de Monitoreo en el sistema .................................................................... 61

Figura 48.- Sensor de efecto Hall [ACS712]........................................................................ 62

Figura 49.- Sensado de Corriente ......................................................................................... 62

Figura 50.- Diagrama de flujo de la interfaz de monitoreo .................................................. 63

Figura 51.- Interfaz de Monitoreo ........................................................................................ 64

Figura 52.- Sistema Fotovoltaico Completo desarrollado............................................... 66

Figura 53.- Panel de control del sistema .............................................................................. 68

Figura 54.- Análisis para la medición del ángulo de error ................................................... 70

Figura 55.- Patrón de medición del ángulo de error ............................................................. 70

Figura 56.- Componentes de la sombra proyectada ............................................................. 71

Figura 57.- Resultados de la prueba de resolución del seguidor .......................................... 72

Figura 58.- Prueba de ganancia con el seguidor................................................................... 72

Figura 59.- Medición del rendimiento del seguidor ............................................................. 73

Figura 60.- Comparación de resultados del rendimiento del seguidor solar ........................ 74

Figura 61.- Resultados de la prueba de estabilidad del regulador de voltaje ....................... 75

Figura 62.- Resultados de la prueba de cambios en la demanda de corriente ...................... 76

iii

Figura 63.- Cálculo de la eficiencia del regulador de voltaje............................................... 77

Figura 64.- Pérdidas en el regulador de voltaje .................................................................... 78

Figura 65.- Comportamiento de los módulos en días nublados ........................................... 82

Figura 66.- Rendimiento general del sistema ....................................................................... 83

Figura 67.- Variación de la conductividad con la concentración ......................................... 94

Figura 68.- Comportamiento de la corriente en función del voltaje.............................. 95

Figura 69.- Diagrama del Panel de control........................................................................... 97

Figura 70.- Pantalla principal de la interfaz de monitoreo ................................................. 100

Figura 71.- Pantalla de captura de datos de la interfaz de monitoreo................................. 100

v

Lista de Tablas

Descripción Pág.

Tabla 1.- Características de los diferentes tipos de Módulos Fotovoltaicos .......................... 5

Tabla 2.- Información requerida para resolver el modelo de la celda PV............................ 20

Tabla 3.- Componentes del sistema desarrollado ................................................................. 67

Tabla 4.- Resultados de las pruebas al seguidor solar .......................................................... 74

Tabla 5.- Rendimiento del sistema en distintas condiciones de operación .......................... 83

Tabla 6.- Energía suministrada al proceso por el sistema .................................................... 84

vii

Nomenclatura

Símbolo Descripción A Coeficiente de calidad del diodo

as Ángulo de azimut del Sol

B Factor de excitación de fondo

eC Factor correctivo por exposición

PC Coeficiente local de presión

1, 2, 3C C C Capacitores

cSi Módulo PV monocristalino

c Distancia al eje neutro

D Factor de difusión del diodo

1D Diodo

d Ángulo de declinación de la Tierra

ET Ecuación del tiempo

F Fuerza aplicada

Fα Factor de corrección por la altura de la estructura

RF Relación de energía en ráfaga

TRF Factor de corrección por las características del terreno

FF Factor de llenado

G Factor de amplificación dinámica

EG Conductividad electrolítica

g Factor de respuesta máxima

H Altura de la estructura

h Ángulo de altura del Sol

hs Hora de referencia

mI Momento de inercia

I Corriente

Símbolo Descripción

viii

DI Corriente en el diodo

LI Corriente debida al efecto fotovoltaico

,L refI Corriente debida al efecto fotovoltaico de referencia

MPI Corriente en el punto de máxima potencia

,MP refI Corriente en el punto de máxima potencia de referencia

scI Corriente de corto circuito

2,sc TI Corriente de corto circuito a temperatura ambiente

,sc refI Corriente de corto circuito de referencia

oi Corriente en la curva I-V

k Constante de Boltzmann

L Longitud del lugar

LI Longitud del tiempo

l Distancia entre los electrodos

M Momento

maxM Momento máximo

N Día consecutivo del año

NCS Numero de celdas conectadas en serie

NS Numero de módulos conectados en serie

on Frecuencia del modo fundamental de la estructura

P Potencia

zP Presión del viento sobre una superficie

PMP Punto de máxima potencia

PN Juntura en el diodo

PV Fotovoltaico

pSi Módulo PV policristalino

q Constante de carga del electrón

R Factor de rugosidad

cargaR Resistencia de la carga del sistema


ix

sR Resistencia en serie

,s refR Resistencia en serie de referencia

, , ,a b c dR R R R Reacciones en la estructura

1RV Resistencia variable

1,.., 6R R Resistencias eléctricas

S Factor de reducción por tamaño

s Vector de dirección de los rayos solares

sa Vector de dirección del seguidor azimutal

sh Vector de dirección del seguidor horizontal

sp Vector de dirección del seguidor polar

CT Temperatura de la celda fotovoltaica

,C refT Temperatura de la celda fotovoltaica de referencia

refT Temperatura de referencia

2T Temperatura ambiente

TC Tiempo civil

TS Tiempo solar

t Tiempo de energía disponible

V Voltaje

DV Velocidad de diseño

inV Voltaje de entrada

MPV Voltaje en el punto de máxima potencia

ocV Voltaje de circuito abierto

outV Voltaje de salida

RV Velocidad de la región

v Variable auxiliar

ov Voltaje en la curva I-V

X Ángulo de desviación

Λ Variable auxiliar


x

α Ángulo entre los rayos solares y la normal de la superficie de los módulos

β Fracción del amortiguamiento critico

Φ Irradiación solar

refΦ Irradiación solar de referencia

θ Ángulo de inclinación del seguidor

iscμ Coeficiente de temperatura en corto circuito

γ Factor de forma

gε Voltaje del diodo

φ Ángulo de seguimiento del seguidor horizontal

ϕ Ángulo de seguimiento del seguidor polar

η Eficiencia de una celda PV

fη Eficiencia de la celda PV corregida

ρ Resistividad de la sustancia electrolítica

σ Esfuerzo a flexión

1 cenidet

CAPÍTULO I Introducción

El desarrollo de la humanidad a través de la historia esta ligado de manera muy

significativa al tipo de energía utilizada y sus formas de aprovechamiento. Existen incluso

teorías que posicionan a la energía como eje principal del desarrollo humano, como la

expuesta por Leslie White: “La historia de la civilización es la del dominio de las fuerzas

de la naturaleza por medios culturales, de tal forma que la cultura evoluciona conforme

aumenta la energía aprovechada per cápita en un período dado y la eficiencia de los

medios instrumentales para servirse de ella” [Cunningham, 2003].

El modelo energético actual a base de combustibles fósiles como principal fuente,

genera un gran impacto ambiental y no es sustentable debido a que, para satisfacer las

demandas de energía actuales, compromete la integridad de las futuras generaciones. Por

lo que se hace necesario establecer un nuevo modelo energético que sea sustentable en el

que las energías renovables sean el eje de desarrollo. Las fuentes de energía renovables

tienen un ciclo de regeneración mayor al de consumo, por lo que son inagotables. El Sol es

el origen de todas las energías renovables presentes en la Tierra [Merino, 2007].

Actualmente la tecnología de las energías renovables aún se encuentra en una etapa

de desarrollo con el objetivo final de lograr que la energía producida compita

económicamente con la generada por las fuentes de energía no renovables [Hollander,

2003]. En particular para la energía solar fotovoltaica el desarrollo se centra principalmente

en mejorar su eficiencia y garantizar un almacenamiento adecuado de la energía producida

[Luque, 2003], problemas sobre los cuales se enfoca este trabajo de tesis.

Capítulo I Introducción

cenidet 2

1. El Sol como Fuente de Energía

El Sol es la fuente principal de energía del planeta, la temperatura y presión en el

interior del Sol da origen a reacciones nucleares que liberan enormes cantidades de energía

que llega al planeta de forma directa o difusa reflejada en las partículas de la atmósfera, en

las nubes y demás objetos en el ambiente [Clark, 2004]. La disponibilidad de esta energía

depende de la ubicación geográfica del lugar en donde se quiera aprovechar, en la Figura 1

se pueden observar los lugares en donde existe un mayor potencial de la energía solar para

su aprovechamiento [Loster, 2006].

Figura 1.- Recurso solar a nivel mundial

La forma en que esta energía se transforma, almacena y se utiliza da origen a las

formas de energía existentes en el planeta de manera natural:

• Biomasa.- La fotosíntesis en las plantas les provee de alimento.

• Energía hidráulica.- El ciclo del agua es ordenado por el Sol.

•

Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos

cenidet 3

• Energía eólica.- El calentamiento del aire da origen a las diferencias de

presión que provoca los vientos.

• Corrientes marinas. La diferencia de temperatura en los mares da origen a

este movimiento.

Sin embargo la energía disponible de manera natural resulta insuficiente para las

necesidades energéticas actuales, por lo que se han desarrollado tecnologías de

aprovechamiento directo de la energía proveniente del Sol:

• Energía solar térmica.- Se aprovecha el calor generado por la radiación solar

para el calentamiento de superficies, líquidos o gases y su aplicación en

bombas de calor.

• Energía solar fotovoltaica.- Se transforma la luz solar directamente en

energía eléctrica.

La energía solar fotovoltaica presenta el beneficio de que se consigue energía

eléctrica directamente sin necesidad de aditamentos adicionales como en la solar térmica,

por lo que se hace más interesante su desarrollo en la actualidad donde la mayor parte de

los dispositivos funcionan con energía eléctrica.

2. Sistema Fotovoltaico

La energía proveniente del Sol que un objeto en la Tierra puede aprovechar es

variable y difícil de prever de manera exacta ya que es afectada por factores ambientales y

la fuente de energía se encuentra en un movimiento relativo constante, por lo que es

conveniente la adición de elementos para su mejor aprovechamiento, un sistema

fotovoltaico básico consta de la transformación de la energía solar en eléctrica, un sistema

de almacenamiento para lograr un abastecimiento constante y finalmente el

aprovechamiento de la energía producida, Figura 2.


cenidet 4

Figura 2.- Diagrama a Bloques de un Sistema Fotovoltaico

3.1. Transformación de la energía, Módulos fotovoltaicos

Los encargados de transformar la energía solar en energía eléctrica son los módulos

formados por celdas fotovoltaicas. La celda es el elemento más pequeño de los sistemas

fotovoltaicos, con potencias eléctricas típicas de 1.5 W (0.5 V, 3 A). Para obtener

potencias mayores las celdas son conectadas en serie o en paralelo, formando módulos (con

potencias típicas del orden de los 50 a 100 W) y paneles fotovoltaicos (>100W) [Castro,

2004], Figura 3.

Figura 3.- Formación de Módulos fotovoltaicos [Rodríguez, 2004]

La característica principal de un módulo fotovoltaico es la eficiencia en la

conversión de energía que está determinada por el tipo de material y tecnología utilizada en

su fabricación. Actualmente el mayor desarrollo se ha llevado a cabo en las células que

utilizan el silicio como semiconductor debido a su bajo costo, de este desarrollo se obtienen

tres tipos diferentes de módulos fotovoltaicos actualmente en el mercado [PV-TRAC,

2005], Tabla 1.

Terminales (parte posterior)

1 2 3 4

2

3

4

5

6

7

8

9

Marco de aluminio

Celda solar

Interconexión de las celdas

- +

- +

9x4=36 celdascomponen el modulo

Transformación Almacenamiento Aprovechamiento Energía Solar


cenidet 5

La diferencia observada entre el rendimiento de laboratorio y el de campo recae en

que la fabricación de los primeros se realiza de manera mas controlada.

Tabla 1.- Características de los diferentes tipos de Módulos Fotovoltaicos

Eficiencia Módulo Laboratorio Campo Color Fabricación % Mercado

Monocristalino cSi

24% 15-18% Azul

A partir de silicio puro fundido y dopado de Boro

32%

Policristalino pSi

19-20% 12-14% Distintos tonos de

azul

Igual que el monocristalino pero menor número de fases de cristalización

58%

Amorfo

16% Menor al 10% Marrón

Se deposita como lámina delgada sobre un sustrato

10%

La energía obtenida a través de los módulos fotovoltaicos es energía eléctrica de

corriente directa que puede ser utilizada de manera directa o bien almacenada para su uso

en periodos de menor o nula incidencia de radiación.

3.2. Almacenamiento de la energía, Controlador de Carga y Baterías

La capacidad de un sistema fotovoltaico de producir y almacenar energía de manera

adecuada lo convierte en una fuente de energía confiable y constante aun cuando exista

nubosidad, lluvia o sea de noche. La confiabilidad del sistema dependerá de una selección

adecuada de los componentes para la producción de energía y su almacenamiento.


cenidet 6

En un sistema fotovoltaico la parte de acumulación de energía consta de dos

componentes, el regulador de carga de las baterías y las baterías. El regulador de carga es

un dispositivo que evita la sobrecarga y descarga total de las baterías desconectándolas

cuando llegan a un punto de control, busca el punto de mayor eficiencia de los paneles

fotovoltaicos, provee el régimen de carga más apropiado de acuerdo al tipo de batería,

administra la energía que se está generando enviándola directamente a la carga y el resto a

la batería cuando la energía generada es mayor a la demandada, todo esto con el fin de

evitar daños en la batería y prolongar su vida útil, Figura 4.

Figura 4.- Diagrama a bloques del funcionamiento del Regulador de Carga

La batería es la encarga de acumular la energía mientras ésta no sea utilizada y es el

único elemento en el sistema fotovoltaico que necesita mantenimiento. Existen diferencias

entre las baterías automotrices y las baterías utilizadas en sistemas fotovoltaicos, las

primeras tienen como objetivo principal el arranque del vehículo, se diseñan para

proporcionar valores de corriente altos, aproximadamente 1000 Amperes, por periodos

cortos de tiempo con una recarga posterior inmediata durante el funcionamiento del

vehículo.

Las baterías para sistemas solares son diseñadas para entregar una potencia

constante por periodos largos de operación sin recarga, determinan su calidad por la

cantidad de energía que son capaces de acumular y la profundidad de descarga, o mejor

dicho el porcentaje de energía del total que es capaz de entregar de manera cíclica sin

ocasionar daños a la batería, cercano al 80%, por lo que son denominadas baterías de ciclo

profundo [Chávez, 2005].

Regulador de Carga


cenidet 7

De manera comercial las baterías para sistemas solares tienen un valor promedio de

corriente máxima de 250 Ah, lo que significa que podrán mantener un periodo de descarga

de 20 horas a su voltaje nominal (12 V) proporcionando 12.5 A (250 Ah / 20 h) y tener al

final el 20% de su carga total aun en reserva. Mientras que las baterías de mejor calidad

para automóvil proporcionan 60 Ah [Markvart, 2000].

La diferencia en requerimientos hacia cada batería genera características diferentes

en su fabricación. En las baterías automotrices lo importante es tener una baja densidad de

corriente (A/cm2) para minimizar la caída de voltaje en el arranque del automóvil, por ello

se usan placas de plomo esponjoso en su construcción, en las baterías solares se necesita

una mayor cantidad de material activo (plomo) para alargar su vida útil lo que las vuelve

más pesadas y costosas.

3.3. Aprovechamiento de la energía, convertidores CD-CD e inversores

Los requerimientos de la carga eléctrica conectada al sistema fotovoltaico

determinan el uso de un convertidor CD-CD o un inversor a la salida. Un convertidor CD-

CD convierte el voltaje del sistema en otro voltaje de acuerdo a las características de la

carga pero la salida sigue siendo de corriente continua (CD), su uso sólo es necesario

cuando el voltaje requerido por la carga difiere del voltaje del banco de baterías. Un

inversor convierte la salida de corriente continua en corriente alterna (CA) para permitir el

uso de aplicaciones de CA comunes o la conexión del sistema a la red eléctrica. Cuando un

sistema fotovoltaico es conectado a la red eléctrica no es necesario el uso de las baterías ni

el controlador de carga [Sick, 1996].

3.4. Eficiencia de los sistemas fotovoltaicos

La eficiencia de un sistema fotovoltaico depende de la eficiencia de sus

componentes, la Figura 5 nos muestra la mejor eficiencia de los componentes del sistema

actualmente [Sandia, 2007].


cenidet 8

Con la adición de cada componente se presentan más pérdidas, por lo que un

sistema conectado a la red será más eficiente que un sistema aislado que cuente con

almacenamiento de energía.

Figura 5.- Eficiencia de un sistema fotovoltaico [Sandia, 2007]

Se observa que el componente más crítico son los paneles fotovoltaicos, con una

eficiencia muy baja y afectada por las condiciones de operación. Se desea entonces que las

condiciones de operación sean las óptimas, puesto que no es posible actuar sobre las

condiciones climáticas queda la opción de corregir la orientación de los paneles con

respecto al Sol, tendencia que se conserva en los nuevos desarrollos donde se ha obtenido

en laboratorio una eficiencia de 42.8% [VHESC, 2007] pero con la utilización necesaria de

un seguidor solar.

Las baterías presentan una buena eficiencia pero tienen el inconveniente de ser

pesadas y voluminosas, características que se vuelven críticas si la energía producida se

utiliza en aplicaciones móviles, por lo que se están desarrollando nuevas formas de

almacenar y transportar la energía producida por sistemas solares, como producción de

energía química obteniendo hidrógeno por electrólisis directamente de un sistema solar

[Rzayeva, 2001].

Módulos Fotovoltaicos

18%

Regulador de Carga 97%

Inversor 96%

Baterías 90%

Inversor 96%

Convertidor CD-CD

95%

100%

17.2%

15.0%

14.9%


cenidet 9

4. Objetivos de la tesis

5.1. Objetivo general

Especificar, diseñar y desarrollar un prototipo de energía fotovoltaico con seguidor

del Sol para un proceso de generación de electrólisis. Contar con un prototipo funcional a

escala real de un sistema de alimentación fotovoltaico con capacidades de seguimiento del

movimiento relativo del Sol, de monitoreo, procesamiento y control para el sistema

especificado y la documentación adecuada del desarrollo.

5.2. Objetivos Específicos

• Establecer las especificaciones de diseño y de pruebas del dispositivo mecatrónico que satisfaga los requerimientos del sistema.

• Diseñar, construir, probar y poner en marcha un dispositivo seguidor del

movimiento relativo solar capaz de soportar los módulos fotovoltaicos.

• Realizar el acoplamiento de energía entre el módulo solar, el módulo de almacenamiento de energía y el sistema de electrólisis.

• Establecer los requerimientos del módulo regulador de energía.

5.3. Planteamiento del Problema

El funcionamiento de un módulo solar presenta un desempeño variado a lo largo del

día afectado, entre otros factores, por los ángulos que presente con respecto al Sol, causado

por el movimiento de rotación de la Tierra y a lo largo del año este ángulo también es

afectado por el movimiento de traslación. Por lo que si se quiere mejorar la eficiencia de un

módulo fotovoltaico se debe controlar el valor de estos ángulos. La eficiencia del sistema

también está ligada a los componentes presentes en el sistema, y a su correcta interacción

entre ellos.


cenidet 10

5.4. Hipótesis de trabajo

Se obtendrá una mejora en el aprovechamiento de la energía solar a través de

módulos fotovoltaicos si el ángulo de la normal de la superficie de los módulos con

respecto a la incidencia de los rayos solares es disminuido y si además los componentes en

el sistema interactúan de manera adecuada.

5.5. Descripción del documento

En el capítulo II se presentan los fundamentos teóricos para la resolución del

problema planteado, se muestran las ecuaciones que describen el funcionamiento de la

generación de energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos y se analiza por que y

cómo determinar la posición relativa del sol con respecto a un punto en la tierra y se

presentan las opciones de solución a este problema.

En el capitulo III se muestra el diseño y desarrollo de la parte del seguidor solar en

base del análisis realizado previamente y tomando en cuenta las características del lugar de

emplazamiento y los componentes en esta parte del sistema.

En el capitulo IV se aborda el diseño de la etapa de potencia para uso en la

aplicación especifica y el desarrollo del hardware y software para el monitoreo del sistema.

En el capitulo V se realiza la integración de todos los componentes del sistema tanto

los desarrollados y diseñados así como los adquiridos de manera comercial.

Finalmente se presentan las pruebas y resultados obtenidos de la evaluación del

funcionamiento del sistema así como el análisis y conclusiones de las mismas y se plantean

ciertas recomendaciones para mejorar el trabajo realizado.

11 cenidet

CAPÍTULO II Fundamentos Teóricos

El estudio de la teoría inherente al sistema fotovoltaico y seguidores solares sirve

como base de diseño para determinar condiciones iniciales de diseño. El entendimiento de

las ecuaciones que describen la generación de energía fotovoltaica permiten determinar de

manera numérica un aproximado de la energía que se puede producir con el sistema

instalado.

El estudio de las causas del movimiento relativo del sol sirve para comprender su

naturaleza, funcionamiento y características para soportar la selección y diseño del seguidor

solar y su volumen de trabajo.

La información sobre los seguidores solares comerciales establece un parámetro de

partida en el diseño y explora las soluciones actuales a este problema.

1. Energía Solar Fotovoltaica

La energía solar fotovoltaica es la energía eléctrica producida por ciertos materiales

al exponerlos a la luz solar, la cantidad de energía producida es proporcional al flujo

luminoso que reciben. A la transformación de la energía luminosa directamente en energía

eléctrica se le conoce como efecto fotovoltaico, fenómeno descubierto por el físico francés

Edmund Becquerel en 1839, y sobre el cual está basada la tecnología fotovoltaica.

Capítulo II Fundamentos Teóricos

cenidet 12

1.1. Fenómeno fotovoltaico

El fenómeno fotovoltaico se da a nivel atómico al incidir un fotón en el enlace entre

dos átomos y romperlo, para que se logre esta ruptura en el enlace con poca energía es

necesario que el átomo sea inestable, esto es, que tenga incompleta su banda de valencia y

el número de electrones ahí contenidos sea diferente de ocho. Los materiales que presentan

esta característica en sus átomos son los semiconductores. En un semiconductor puro la

corriente producida por el movimiento de los electrones es insignificante debido al bajo

valor de portadores libres, por lo que se le añaden impurezas al material para aumentar los

portadores libres, el nuevo material obtenido es llamado semiconductor extrínseco

[Wolfgang, 1992].

De acuerdo a la impureza introducida en el material semiconductor se obtienen

materiales semiconductores tipo N con un mayor número de electrones libres y materiales

tipo P con un mayor número de cargas positivas o huecos. Si se coloca un material tipo N

junto a un material tipo P, la zona de contacto tiende a equilibrarse moviéndose los

electrones libres del material tipo N a los huecos del material tipo P, por este movimiento

de electrones el material tipo N se hace positivo y el material tipo P negativo existiendo una

diferencia de potencial separada por la zona de juntura llamada barrera de potencial

[Seeger, 2004].

La condición de equilibrio establecida en el material semiconductor por la juntura

PN se mantiene estable hasta el momento en que el material N es expuesto a la luz, la

energía de los fotones, que coincide con el valor de la barrera de potencial, es absorbida por

el material y destruye el enlace de los electrones de valencia con el átomo, se provoca

entonces un movimiento caótico de electrones dentro del material. Si es conectada una

carga externa al material, los electrones fluyen del material y circulan por este circuito

externo liberando así la energía absorbida de los fotones, Figura 6, [Rodríguez, 2004].


cenidet 13

Figura 6.- Diagrama básico de una celda o célula fotovoltaica

No todo el espectro luminoso puede producir este fenómeno, depende del material

utilizado para fabricar el semiconductor que determinará la parte del espectro luminoso que

puede ser utilizada. [Gasquet, 2005]

1.2. Modelado de la Celda Fotovoltaica (PV)

El proceso de simulación del comportamiento de una celda PV se basa en su

equivalencia hacia un circuito eléctrico y su posterior representación matemática. La

característica más importante de una celda solar para su simulación eléctrica, es la

dependencia de la corriente que por ella circula en función de la tensión aplicada, para esto

se mantienen valores constantes de intensidad de la radiación incidente y de temperatura.

La curva determinada por esta relación se denomina curva I-V que se muestra en la Figura

7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003], donde se observa que a mayor

tensión aplicada la corriente disminuye.

Para maximizar la potencia generada por la celda se debe encontrar el punto ( )00 , iv

de la curva I-V tal que la potencia sea máxima, conociendo que la potencia eléctrica es

igual al producto del voltaje y la corriente se debe encontrar el punto en donde este

producto sea mayor. Este punto es llamado punto de máxima potencia (PMP) en el cual

0dP dV = [De soto, 2004]. Para un uso más eficiente de la celda PV se debe operar

siempre en el PMP que se logra usando el cargador de batería que lleve intrínseco un

seguidor de máxima potencia.


cenidet 14

Figura 7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003]

Otros puntos de interés en la curva I-V son las intersecciones con los ejes. El punto

de la curva que corta al eje de tensión se denomina tensión de circuito abierto ( )OCV y

representa la máxima diferencia de potencial que puede generar la celda solar. El punto

sobre el eje de corriente es llamado corriente de corto circuito ( )SCI , es decir la máxima

corriente que se puede obtener.

Al conectar varias celdas PV se puede obtener la curva I-V del sistema, sumando la

curva de cada elemento en serie o paralelo según corresponda. Al conectarlas en serie, la

tensión total resultante es igual a la suma de las tensiones de cada una de ellas mientras que

la corriente es la misma en todas, en la conexión en paralelo la corriente total es igual a la

suma de las corrientes individuales y el voltaje igual en todas.

1.2.1. Circuito eléctrico equivalente

Para desarrollar un circuito equivalente de una celda PV, es necesario entender la

configuración física de los elementos de la celda y sus características eléctricas. La Figura

8, muestra los componentes presentes en una celda PV típica.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 222

1

2

3

Voltaje (V)

Cor

rient

e (A

)

Curva I-V

PMP

Vmp

Imp

Voc

Isc

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

50

100

Pot

enci

a (W

)

Curva de Potencia


cenidet 15

Figura 8.- Esquemático de la celda PV [Townsend, 1989]

La juntura entre la capa N (red de carga negativa) y P (red de carga positiva) crea el

efecto de un diodo. Cuando la celda PV recibe la irradiación solar se obtiene una fuente de

corriente constante y las pérdidas eléctricas internas son representadas por una resistencia.

El circuito eléctrico equivalente es mostrado en la Figura 9.

Figura 9.- Circuito Eléctrico equivalente de la celda PV [Eckstein, 1990]

La fuente de corriente LI representa la corriente eléctrica generada debida a la

radiación luminosa incidente sobre la superficie activa de la celda (efecto fotovoltaico), la

corriente es unidireccional y es función de la radiación incidente, temperatura y voltaje. La

juntura P-N es representada por el diodo en paralelo con la fuente de corriente, que es

atravesado por una corriente interna unidireccional DI que depende de la tensión en las

terminales de la celda y la temperatura, la resistencia en serie SR representa las pérdidas

eléctricas internas en la celda.

Se podría introducir más complejidad al modelo con la adición de una resistencia en

paralelo al diodo que represente el efecto de la corriente resistiva a través del cristal. Pero

no es posible determinar su valor con los datos proporcionados por el fabricante.


cenidet 16

[Townsend, 1989] por lo que se considera que tiende a infinito y por eso se omite del

esquema.

1.2.2. Modelo Matemático de una celda PV

Aplicando la ley de voltajes de Kirchoffs al circuito de la Figura 9, para determinar

la corriente a través de la carga, se obtiene:

DL III −= (1.1)

La corriente generada por el efecto fotovoltaico se relaciona con la irradiación y la

temperatura así como con los valores en condiciones de referencia a través de la siguiente

fórmula [Townsend, 1989]:

( )[ ]refCCiscrefLref

L TTII ,, −+⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ΦΦ

= μ (1.2)

donde:

refLI , Corriente generada de referencia [Amperes].

refΦΦ, Irradiación, actual y en condiciones de referencia [W/m2].

refCC TT ,, Temperatura de la celda, actual y en condiciones de referencia

[ºK].

iscμ Coeficiente de temperatura de corto circuito[Amperes/ºK].

Es posible también estimar el valor del coeficiente de temperatura de corto circuito

para el caso en que no sea proporcionado por el fabricante por medio de la siguiente

ecuación:

( )2, ,

2

SC T SC refISC

ref

I IT T

μ−

=−

(1.3)


cenidet 17

Donde 2T es la temperatura a la cual se requiere obtener el nuevo parámetro e Isc, es

la corriente de corto circuito a la temperatura de referencia y a la nueva temperatura. La

corriente a través del diodo esta dada por la ecuación de Shockley:

( )

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−=

+

10C

S

kTIRVq

D eII γ (1.4)

donde:

V Voltaje en las terminales [Volts].

0I Corriente de saturación inversa [Amperes].

γ Factor de forma.

SR Resistencia en serie [Ohms].

q Constante de carga del electrón, ( )191.602 10 [ ]Coulombs−×

k Constante de Boltzmann, ( )231.381 10 [ / ]J K−× °

Entonces, la curva I-V es descrita por:

( )

0 1S

C

q V IRkT

LI I I e γ+⎛ ⎞

⎜ ⎟= − −⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.5)

La corriente de saturación inversa del diodo es:

( )30

g

C

qAkT

CI D T eε−

= (1.6)

donde:

D Factor de difusión del diodo

gε Voltaje del diodo 1.12 V para el silicio cristalino y 1.35 V para el

silicio amorfo.

A Coeficiente de calidad del diodo, igual a 2 para silicio cristalino y <2

para silicio amorfo. [SNL, 2007]


cenidet 18

La corriente de saturación inversa puede obtenerse también a través de una razón

entre la temperatura actual y la temperatura de referencia, de esta manera se elimina el

factor de difusión del diodo que se determina de manera experimental, la ecuación para

obtenerla es la siguiente:

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡=

CrefC

g

refC

Cref TTKA

qTTII 11exp

,

3

,,00

ε (1.7)

El factor de forma γ es una medida de la imperfección de la celda y es relacionado

con el coeficiente de calidad del diodo como NSNCSA ××=γ . NCS es el número de

celdas conectadas en serie por módulo. Un módulo es definido como un arreglo de celdas,

usualmente encapsuladas por protección. NS es el número de módulos conectados en serie.

Los cuatro parámetros desconocidos son sL RII ,,, 0 γ se determinan a partir de los

datos proporcionados por el fabricante. El factor de forma y la resistencia en serie se

asumen constantes, LI es una función de la irradiación y la temperatura de la celda e 0I es

una función de la temperatura solamente.

Un factor que describe la calidad de la curva I-V es el factor de llenado (FF):

MP MP

OC SC

V IFFV I

= (1.8)

Este factor es usado para comparar diferentes celdas PV bajo las mismas

condiciones de referencia. En términos gráficos, entre más cerca este el punto de potencia

máxima de la potencia obtenida con los puntos de cruce con los ejes, mejor será la celda

PV, esto es mostrado en la Figura 10.


cenidet 19

Figura 10.- Factor de llenado

1.2.3. Solución de la ecuación I-V

La ecuación I-V puede resolverse para una irradiación y temperatura de la celda

dadas por medio de los parámetros de referencia ( 0, ,L SI I Rγ , ). La información necesaria

para resolver la ecuación es mostrada en la tabla 1.

La evaluación de los parámetros de la ecuación se realiza por medio de la

evaluación de la ecuación I-V en tres puntos de la curva:

En corto circuito scI I= 0V =

En circuito abierto 0I = ocV V=

En máxima potencia MPI I= MPV V= 0MPdP dV =

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Voltaje (V)

Cor

rient

e (A

)

Voc

Isc

Voc

Isc

Voc

Isc

Voc

Isc

FF=1


cenidet 20

Tabla 2.- Información requerida para resolver el modelo de la celda PV

Símbolo Unidades Nombre Proporciona

el fabricante

refΦ W/m2 Irradiación en la celda, referencia Sí Φ W/m2 Irradiación en la celda No

,C refT K Temperatura de la celda, referencia Sí

CT K Temperatura de la celda No

,SC refI A Corriente de corto circuito, referencia Sí

,OC refV V Voltaje de circuito abierto, referencia Sí

,MP refI A Corriente en punto de máxima potencia, referencia Sí

,MP refV V Voltaje en punto de máxima potencia, referencia Sí NCS 1/módulo Número de celdas en serie dentro del módulo Sí

ISCμ A/K Coeficiente de temperatura de corriente en corto circuito Sí

VOCμ V/K Coeficiente de temperatura de voltaje en circuito abierto Sí

gε V Voltaje del diodo No

SR Ω Resistencia en serie aparente Algunos Area m2 Área del módulo Sí

,A NOCTT K Temperatura ambiente en condiciones de referencia Sí

NOCTΦ W/m2 Irradiación para temperatura nominal de operación de la celda (NOCT) Sí

,C NOCTT K Temperatura de la celda en condiciones NOCT Sí

Si se usa la variable auxiliar:

,C ref

qvkT

= (1.9)

Se evalúa la ecuación (1.5) en los tres puntos de operación, obteniéndose el

siguiente sistema de ecuaciones:

,, , 0, exp 1sc ref s

SC ref L ref ref

vI RI I I

γ⎡ ⎤⎛ ⎞

= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

(1.10)

,, 0,0 exp 1OC ref

L ref ref

vVI I

γ⎡ ⎤⎛ ⎞

= − −⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

(1.11)


cenidet 21

( ), , ,, , 0, exp 1MP ref MP ref S ref

MP ref L ref ref

v V I RI I I

γ

⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥⎜ ⎟= − −

⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.12)

Debido a que la resistencia en serie asociada a las pérdidas es muy pequeña

[Eckstein, 1990] se supone que en corto circuito toda la corriente generada por el efecto

fotovoltaico pasa por las terminales y la corriente que atraviesa el diodo es igual a cero,

siendo así, el segundo término después de la igualdad en la ecuación (1.10) es eliminado y

se tiene que ,L refI es igual a ,sc refI .

Otra simplificación al sistema de ecuaciones es en el término -1 de las ecuaciones

(1.11) y (1.12), que se omite ya que el exponencial es mucho más grande que -1 para ambos

puntos de operación, el sistema se reduce entonces a:

, ,SC ref L refI I≈ (1.13)

,, 0,0 exp OC ref

SC ref ref

vVI I

γ⎡ ⎤⎛ ⎞

≈ − ⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

(1.14)

( ), , ,, , 0, exp MP ref MP ref S ref

MP ref SC ref ref

v V I RI I I

γ

⎡ ⎤⎛ ⎞+⎢ ⎥⎜ ⎟≈ −

⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦ (1.15)

Sustituyendo la ecuación (1.14) dentro de la ecuación (1.15) y resolviendo para γ

se tiene:

( ), , ,

,

,

ln 1

MP ref MP ref S OC ref

MP ref

SC ref

v V I R V

II

γ+ −

=⎛ ⎞

−⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.16)


cenidet 22

Entonces 0,refI es obtenido sustituyendo γ en la ecuación (13):

,0, , exp OC ref

ref SC ref

vVI I

γ⎡ − ⎤⎛ ⎞

≈ ⎢ ⎥⎜ ⎟⎝ ⎠⎣ ⎦

(1.17)

Cada parámetro es evaluado para las condiciones de referencia proporcionadas por

el fabricante, para otras condiciones habrá que utilizar las ecuaciones (1.2) y (1.7) para

actualizar los valores de LI e 0I respectivamente. Ambos parámetros quedan en función de

la resistencia en serie asociada.

1.2.4. Evaluación de las pérdidas internas de la celda PV ( SR )

El valor de la resistencia en serie afecta la localización del punto de máxima

potencia en la curva I-V pero no afecta el valor de la corriente de corto circuito ni del

voltaje en circuito abierto. Varios métodos han sido estudiados para determinar el valor

correcto de la resistencia en serie asociada [Towensend, 1989], el método explicito

simplificado expuesto relaciona el cálculo de este parámetro a través de los parámetros de

referencia proporcionados por el fabricante y evita la experimentación para su obtención,

de esta manera se obtiene que:

1 ln 1 MPOC MP

SCS

MP

I V VI

RI

⎛ ⎞− + −⎜ ⎟Λ ⎝ ⎠= (1.18)

Donde la variable auxiliar Λ está dada por:

1

2

SC MP

SC MP SC

MP OC

I II I I

V V

⎡ ⎤⎛ ⎞+ −⎢ ⎥⎜ ⎟− ⎝ ⎠⎣ ⎦Λ =−

(1.19)

El término SR obtenido es aproximado al valor real, todos los métodos

desarrollados para obtenerlo presentan una variación significativa en cuanto a los resultados

obtenidos. Otra manera de evaluarlo es a través de iteraciones para encontrar el punto de

potencia máxima en las condiciones de referencia, tomando como base el resultado


cenidet 23

obtenido en la ecuación (1.18) y a partir de ahí variar el valor de SR hasta obtener uno que

nos de él valor de potencia máxima proporcionado por el fabricante.

1.2.5. Potencia eléctrica y rendimiento

La potencia eléctrica P esta definida por:

( )

0 1S

C

q V IRkT

LP V I V I I e γ+⎡ ⎤⎛ ⎞

⎢ ⎥⎜ ⎟= ⋅ = − −⎜ ⎟⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

(1.20)

La potencia máxima para 0dP dV = , es equivalente a:

( ) ( ) ( )

0 1 0S S

C C

q V IR q V IRkT kTS

LC

q V IRI I e V e

kTγ γ

γ

+ +⎛ ⎞+⎜ ⎟+ − − =⎜ ⎟⎝ ⎠

(1.21)

La eficiencia de una celda PV en condiciones de referencia en función de la

potencia máxima y de la radiación incidente es obtenida por:

PA

η =Φ

(1.22)

Donde A es el área de la celda PV. La eficiencia máxima coincide con el PMP.

Esta eficiencia es teórica y se ve afectada por condiciones ambientales como la humedad en

el ambiente, la nubosidad y la suciedad presente en el módulo [King, 1997].

2. El Seguidor Solar

La incidencia de los rayos solares sobre el plano de los paneles fotovoltaicos difiere

de la perpendicularidad a lo largo del día y por lo tanto se ve reducida la eficiencia de los

paneles solares. Es posible corregir esta situación utilizando un seguidor solar que oriente

los paneles a la posición del Sol. El uso de seguidores solares ha reportado ganancias


cenidet 24

superiores al 20% en estudios de campo [Lorenzo, 2003]. El seguidor solar sigue la

trayectoria aparente del Sol ocasionada por los movimientos de la Tierra respecto al Sol.

2.3. Movimientos del planeta con respecto al Sol

La Tierra realiza dos movimientos que inciden en la posición relativa de un punto en

su superficie con respecto al Sol [Dutch, 2004], el movimiento que más afecta esta posición

es el de rotación, movimiento que realiza la Tierra sobre su propio eje con una duración de

24 horas 0 minutos y 57.33 segundos, que se ha sintetizado a 24 horas, con la

compensación del año bisiesto. Así se da lugar al día y la noche ya que durante el giro la

mitad de la Tierra está iluminada y la otra mitad en penumbra.

Figura 11.- Movimiento de Rotación de la Tierra

El intervalo de tiempo del día y la noche depende de la ubicación geográfica del

punto considerado, solo en la línea del Ecuador los días y las noches duran 12 horas durante

todo el año. El movimiento de rotación, Figura 11, genera que el Sol dibuje una trayectoria

circular en el espacio en el periodo que dura el día.

(A) Movimiento de rotación (B) Trayectoria aparente generada


cenidet 25

El segundo movimiento que realiza la Tierra es el de traslación que se refiere al

movimiento que realiza la Tierra alrededor del Sol. El movimiento de traslación tarda en

realizarse 365.2422 días, que para efectos prácticos se toma de 365 y cada cuatro años (año

bisiesto) se toma de 366 días. Durante el recorrido la Tierra presenta una trayectoria elíptica

alrededor del Sol. La trayectoria elíptica de la Tierra alrededor del Sol tiene un ángulo con

respecto a la horizontal del Ecuador solar de 23.45º, Figura 12.

Figura 12.- Movimiento de Traslación de la Tierra

El movimiento de traslación de la Tierra genera que la trayectoria aparente del Sol,

ocasionada por el movimiento de rotación, presente una variación a lo largo del año como

se muestra en la Figura 13, la trayectoria aparente del Sol a lo largo del día varía entonces

en su declinación con respecto al observador, esta variación en la declinación incide en la

duración del día y la noche. El Sol en su trayectoria pasa siempre por un punto central

orientado hacia el sur a las 12 horas del día Solar.


cenidet 26

Figura 13.- Variación en la declinación por efecto del movimiento de traslación

2.3.1. La hora solar

Un día solar es el tiempo que tarda el Sol en pasar dos veces por el mismo punto,

tiene una duración aproximada de 24 horas y siempre a las 12 horas el Sol se encuentra en

el meridiano, la aplicación exacta de este tiempo seria poco practica, por lo que se

estandarizó a 24 horas y se crearon los husos horarios para que comunidades cercanas

cuenten con el mismo horario, obteniéndose la hora civil, es posible calcular la hora solar a

partir de la hora civil con lo que se puede saber la posición exacta del Sol. Para calcular la

hora solar es necesario calcular la ecuación del tiempo [Plasencia, 2001]:

12 (0.1236sin 0.0043cos ) (0.1583sin 2 0.0608cos 2 )ET X X X X= + − + + (1.23)

En donde X es el ángulo de desviación de acuerdo al día del año N:

2422.365)1(º360 −

=NX (1.24)

La longitud del tiempo estándar del lugar determinada por:

( ) 15ºLI longitud del lugar meridiano de referencia= − (1.25)

Solsticio de Verano

Solsticio de Invierno

Equinoccio de Primavera y Otoño


cenidet 27

El valor del meridiano de referencia corresponde al del huso horario del lugar donde

se desea realizar el cálculo. Para finalmente calcular el tiempo solar (TS):

LIETTCTS −−= (1.26)

La diferencia en el valor de la hora civil y la hora solar presenta un valor distinto a

lo largo del año. La Figura 14 nos indica la cantidad de minutos de diferencia de la hora

solar con el reloj civil a las 12 horas. El eje de los minutos nos indica la cantidad de

minutos que hay que sumar en el reloj civil para saber cuando son las 12 hora solar. En esta

grafica no se considera el cambio de horario en verano.

Figura 14.- Hora solar

2.4. Ubicación de la trayectoria solar

Para poder ubicar la trayectoria solar primero hay que conocer nuestra ubicación en

la Tierra. Para localizar un punto en la Tierra se utilizan los ángulos de latitud y longitud

propios del lugar, el ángulo de latitud nos dirá que tan retirados estamos del Ecuador y el

ángulo de longitud establece la posición de acuerdo al meridiano de Greenwich (plano de

referencia internacional para definir el uso horario civil).

0 50 100 150 200 250 300 35020

25

30

35

40

45

50

55

Dia del año

Min

utos


cenidet 28

Por el ejemplo la Figura 15 nos muestra la localización de un punto con

coordenadas 20º latitud Norte y 80º de longitud Este, de esta manera se puede localizar

geográficamente cualquier punto en la bóveda terrestre que se requiera, necesario para

conocer la ubicación de la trayectoria aparente del Sol.

El ángulo de latitud es el que incide en la posición de la trayectoria, ya que el ángulo

de longitud, al estar trazado de manera perpendicular al eje de rotación solo nos sirve para

establecer el uso horario, por lo que comunidades que se encuentren en el mismo ángulo de

latitud observaran la misma trayectoria del Sol, lo que incide en que presenten también un

valor de radiación solar muy parecido. Figura 1.

Figura 15.- Ubicación de un punto en la Tierra

Para ubicar la posición del Sol respecto a un punto en la Tierra se hace uso de dos

ángulos, el de altura (h), que es el ángulo del Sol con respecto al plano horizontal y el de

azimut (as) que se mide en sentido horario a partir del sur hasta la proyección del Sol en el

plano horizontal, Figura 16.


cenidet 29

Figura 16.- Ubicación del Sol

El valor del ángulo de altitud y azimut es una función de la hora, día del año y

latitud del lugar que puede ser calculado por métodos numéricos [Plasencia, 2001]. En

primer lugar se determina el ángulo de declinación de la Tierra (d) debida al movimiento de

traslación:

( ) 36023.45sin 284365

d N⎡ ⎤= +⎢ ⎥⎣ ⎦ (1.27)

Donde N es el día consecutivo del año que se desea conocer. El ángulo horario (hs)

es el ángulo comprendido entre el meridiano local y la hora de estudio, es decir, es el

ángulo que se forma entre el medio día solar y la hora de referencia, que se obtiene por:

( )12 15hs hora deseada= − × (1.28)

Con estos datos se obtiene el ángulo de la altura del Sol (h):

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )sin cos cos cos sin sinh L d hs L d= + (1.29)


cenidet 30

Y el ángulo de azimut del Sol (as):

( ) ( ) ( )( )

cos sinsin

cosd hs

ash

= (1.30)

Es necesario aplicar una función inversa cuando el ángulo azimutal es mayor a 90º

(cuando la posición del Sol rebasa el eje o plano vertical este-oeste), bajo el siguiente

razonamiento:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−=⇒<

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=⇒<

−

−

)cos()sin()cos(sinº180

)tan()tan()cos(

)cos()sin()cos(sin

)tan()tan()cos(

1

1

hhsdas

Ldhs

hhsdas

Ldhs

(1.31)

Ahora que se conoce la trayectoria aparente del Sol, por que se provoca y como se

comporta, se pueden analizar los tipos de seguidores solares.

2.5. Tipos de seguidores solares

2.5.1. Seguidor solar pasivo

El seguidor solar pasivo es un seguidor de un eje polar que carece de un control

electrónico para su funcionamiento, su diseño se basa en el cambio de densidad de un

líquido de bajo punto de ebullición, regularmente freón. El líquido se encuentra en dos

tanques alineados de este a oeste e interconectados entre sí. Cuando recibe los rayos solares

el líquido contenido se evapora y la diferencia de pesos provoca el movimiento, los paneles

se colocan de manera tal que se encuentra balanceado el peso y adicionalmente se colocan

amortiguadores hidráulicos para contrarrestar la fuerza del viento [Zomeworks, 2007].


cenidet 31

Figura 17.- Seguidor Pasivo, primera etapa

El seguidor comienza el día orientado al oeste. Con los primeros rayos solares el

freón contenido en el depósito del lado oeste se evapora, Figura 17, y circula hacia el

contenedor del lado este, al llegar ahí se vuelve a condensar y la diferencia de pesos

provoca que el seguidor gire y quede orientado hacia el este.

Los contenedores cuentan en los extremos con unas placas que originan sombra

sobre ellos, el freón contenido en la sombra se condensa y el que está expuesto al Sol se

evapora, el equilibrio se alcanza cuando en ambos contenedores, este y oeste, se encuentra

una cantidad igual de líquido, y eso se da cuando el plano del seguidor se encuentra

perpendicular al Sol. El líquido en los contenedores busca el equilibrio a lo largo del día, lo

que induce el seguimiento del Sol, Figura 18.

Figura 18.- Seguidor Pasivo, segunda etapa


cenidet 32

Finalmente, cuando el seguidor llega a su límite mecánico, en el atardecer, los rayos

solares inciden solamente sobre el contenedor este y el contenedor oeste se encuentra en la

sombra, por lo que se llena de liquido y el seguidor solar se orienta hacia el oeste,

finalizando su ciclo de trabajo, Figura 19.

Figura 19.- Seguidor Pasivo, tercer etapa

2.5.2. Seguidores solares activos

Este tipo de seguidores utiliza un control electrónico para ubicar la posición del Sol,

este control se retroalimenta a base de sensores o por cálculos numéricos como los

expuestos anteriormente y utilizan algún actuador para realizar el movimiento del seguidor

[Pastrana, 2006]. En el mercado existen diferentes tipos de seguidores activos que se

diferencian entre sí por el número de movimientos automáticos que realizan y el volumen

de trabajo que pueden desarrollar [IEC, 2007].

Seguidor solar de un eje, azimutal.- El seguidor solar azimutal gira sobre un eje

vertical y la superficie de los módulos tiene una inclinación igual a la latitud del lugar para

obtener un mejor rendimiento a lo largo del año. El movimiento es determinado

directamente por el valor del ángulo de azimut del Sol. La curva que dibuja en el espacio

presenta siempre la misma altitud con un volumen de trabajo reducido en comparación con

los otros seguidores, Figura 20, su diseño suele ser el más simple por lo que su uso se ha

extendido entre los fabricantes.


cenidet 33

Figura 20.- Seguidor solar de un eje azimutal

Seguidor solar de un eje, horizontal.- El seguidor solar gira sobre un eje horizontal

norte-sur, los módulos son colocados de manera paralela al eje de giro. La trayectoria

dibujada es siempre un arco de este a oeste perpendicular al plano horizontal, que difiere de

la trayectoria solar en la inclinación que tiene, Figura 21.

Figura 21.- Seguidor solar de un eje horizontal

Seguidor solar de un eje, polar.- El seguidor solar gira sobre un eje orientado en

dirección norte-sur y con una inclinación del eje igual a la latitud del lugar, los módulos se

colocan paralelos al eje de giro, la velocidad de giro es de aproximadamente 15º por hora.

Muy parecido al seguidor horizontal pero su inclinación provee una mejor ganancia por año

con respecto a éste ya que corrige la declinación de la trayectoria coincide con la del Sol, en

contra se tiene un diseño más elaborado. La inclinación de los módulos opcionalmente

puede ajustarse manualmente aun con este ajuste la trayectoria descrita solo coincide

fielmente con la del Sol en el equinoccio de primavera y otoño, Figura 22.

E

O N

S


cenidet 34

Figura 22.- Seguidor solar de un eje polar

Seguidor solar de dos ejes.- El seguidor solar de dos ejes realiza dos movimientos

automatizados para realizar el seguimiento en los dos ángulos que determinan la posición

del Sol. Son los únicos en que la superficie de los módulos siempre es perpendicular al Sol

todo el día durante todo el año, su volumen de trabajo se extiende a lo largo de la

trayectoria del Sol en todo el año, Figura 23.

Figura 23 Seguidor solar de dos ejes

35 cenidet

CAPÍTULO III Diseño delseguidor

Solar

El diseño mecánico del seguidor solar se desarrolló considerando las condiciones

del lugar de emplazamiento y con componentes que se pudieran adquirir fácilmente, se

evitó también la fabricación de componentes mecánicos de difícil manufactura por el

aumento del costo que esto significaría en su desarrollo.

Al no contar con una normatividad y literatura específica para el diseño de

seguidores solares, los requerimientos técnicos fueron obtenidos de simulaciones de

funcionamiento del seguidor y los factores de seguridad se tomaron de la norma para diseño

de anuncios espectaculares por su similitud con un seguidor solar.

Se buscó el balance de los pesos y áreas con respecto al eje de movimiento para que

el momento que se tenga que vencer sea mínimo y el actuador solo ayude a conservar el

equilibrio y a provocar el movimiento del seguidor pero que no tenga que soportar el peso

completo de los módulos en todo momento.

El control que se escogió se realiza sin retroalimentación de la posición del Sol,

utilizando el uso de cálculos astronómicos para evitar sensores y (por especificación directa

de requerimiento) para evaluación del funcionamiento de un seguidor solar con este tipo de

control.

Capítulo III Diseño del seguidor solar

cenidet 36

1. Selección del tipo de seguidor

La mejor manera para elegir un tipo de seguidor es analizando su desempeño

individual. No se localizaron a nivel bibliográfico datos específicos sobre su rendimiento en

campo con lo que se logrará realizar una comparación objetiva, por lo que se recurrió a la

simulación para obtener un punto de comparación entre ellos, sabiendo que el rendimiento

del panel de acuerdo a una no perpendicularidad con los rayos solares es de

aproximadamente el coseno del ángulo entre los rayos solares y la normal al plano de los

módulos, ecuación (2.1) [Berbeglia, 2003].

( )cosfη η α= ⋅ (2.1)

1.1. Comparación de los seguidores solares

Para evaluar el rendimiento de cada seguidor solar es necesario conocer el vector de

trayectoria de los rayos solares y de la normal del plano de los módulos a lo largo del día.

El vector de los rayos solares se obtiene en función de los ángulos de altura (h) y azimut

(as) que describen su posición, con ellos se obtienen las coordenadas del punto en el que se

encuentra el Sol, y como punto final del vector tenemos el origen, Figura 24.

Figura 24.- Vector de trayectoria del Sol


cenidet 37

Considerando una longitud unitaria se obtiene el vector de trayectoria:

[ ]cos( ) cos( ), cos( )sen( ), sen( )s h as h as h= − − − (2.2)

1.1.1. Vector normal y Algoritmo de control

Para el caso del seguidor solar de dos ejes se supone que la normal del plano

siempre es paralela al vector de trayectoria de los rayos solares, por lo que no es necesario

calcular este vector, sólo en el caso de los seguidores solares de un eje existe una no

perpendicularidad variable a lo largo del día que se tiene que analizar.

Seguidor solar de un eje, azimutal.- El vector normal al plano en un seguidor

azimutal tiene un ángulo de altitud (A) constante, con un valor de 90 menos la latitud del

lugar, el ángulo “x” e “y” se obtienen a partir de la proyección del vector en el plano

horizontal, Figura 25.

Figura 25.- Vector normal al plano, seguidor azimutal

Si se considera que el vector parte del origen hacia el Sol y es de magnitud unitaria,

tenemos el siguiente vector normal:


cenidet 38

[ ]cos( )cos( ),cos( )sen( ),sen( )sa A as A as A= (2.3)

Se puede observar que el vector normal es función solo del ángulo de azimut del

Sol, por lo que el control electrónico solamente considera este valor para su

retroalimentación.

Seguidor solar de un eje, horizontal.- En un seguidor horizontal el control esta enfocado al

seguimiento del ángulo horizontal proyectado en el plano este-oeste, el valor de este ángulo

se calcula con la proyección de la trayectoria solar en el plano, el valor de las proyecciones

se observa en la Figura 26.

Figura 26.- Ángulo de control en el seguidor horizontal

El ángulo de seguimiento (φ ) puede entonces ser calculado por trigonometría,

obteniendo como resultado:

1 tan( )tansen( )

has

φ − ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.4)

El vector normal en este seguidor presenta la característica de que su valor en el eje

“x” es constante durante todo el día e igual a cero, como los módulos no cuentan con

ninguna inclinación, el valor de “y” igual al cos( )φ y el valor de “z” al sen( )φ .

φ

sen( )h

cos(h)sen( )as

h

as


cenidet 39

Figura 27.- Vector normal al Plano, seguidor horizontal

Se analiza la Figura 27 para determinar el vector normal en un seguidor horizontal.

De esta forma se obtiene el vector normal a la superficie de los módulos para el seguidor

solar horizontal.

[ ]0,cos( )sen( ),sen( )sh h as h= (2.5)

Seguidor solar de un eje, polar.- El control en un seguidor polar se enfoca al

seguimiento del ángulo que se dibuja en el plano de la trayectoria del Sol, el valor de este

ángulo se puede determinar de la proyección de la trayectoria en el plano este-oeste, y a

partir de ahí realizar un giro en el sistema de coordenadas sobre el eje “y” aplicando las

fórmulas para rotación de ejes [Oteyza, 2005], el valor de la coordenada “y” permanece

inalterado ya que el giro se realiza sobre el eje “y”, sólo abrá que calcular el nuevo valor de

“z”:

sen( ) cos( )z y zθ θ′ = − + (2.6)

Se aplica la ecuación (2.6) al valor de la coordenada “z” en la proyección de la

Figura 26 y se obtiene el ángulo de trayectoria de un seguidor polar:

1 1sen( )cos( ) tan( )cos( )tan tancos( )sen( ) sen( )

h hh as as

θ θϕ − −⎛ ⎞ ⎛ ⎞= =⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (2.7)

En este caso θ es el valor del ángulo de inclinación del seguidor, regularmente

igual a la latitud del lugar. El vector normal a la superficie se determina a partir del vector

de normal del seguidor horizontal, pero girado sobre el eje “y” θ grados, obteniendo:

y

z

xcos( )y φ=

sen( )z φ= φ


cenidet 40

[ ]sen( )sen( ),cos( ),sen( ) cos( )sp φ θ φ φ φ= (2.8)

1.1.2. Rendimiento de los seguidores solares

Utilizando las ecuaciones expuestas en el primer capítulo para calcular el valor del

ángulo de azimut y altura del Sol, se puede determinar el ángulo entre el vector de

dirección de los rayos del Sol y el vector normal a los módulos en cada seguidor para

conocer el rendimiento de los seguidores solares y tener un criterio de selección. Se realizó

la simulación de generación de energía en Cuernavaca con los datos de radiación obtenidos

de la estación de monitoreo del Centro de Investigación en Energía en los puntos extremos

del movimiento de latitud del Sol, equinoccio de otoño y primavera y Solsticio de verano e

invierno considerando las características de los módulos utilizados (BP 350) y se obtuvo un

promedio de generación de energía por cada mes del año, Figura 28. El seguidor solar de un

eje considerado fue el polar ya que es el que presenta un mejor rendimiento.

Figura 28.- Generación de energía mensual con y sin seguidor solar

La Figura 29, muestra los resultados de la simulación de la que se concluye que el

seguidor de un eje que ofrece un mejor rendimiento a lo largo del año es el polar. No se

justifica el uso de un seguidor solar de dos ejes debido a que la adición de un segundo eje

-

100

200

300

400

500

600

700

enero

febrero

marzo

abril

mayo

junio

julio

agos

to

septi

embr

e

octub

re

novie

mbre

diciem

bre

Ene

rgia

pro

med

io p

or d

ia (W

h)

2 ejes1 ejeEstático


cenidet 41

de movimiento reportaría un incremento muy reducido, y en algunas épocas del año su

rendimiento es similar al seguidor polar. Esto se puede observar en la Figura 28 que se

obtiene de simular la producción de energía por módulos solares por día y en promedio de

cada mes. Se eligió entonces la construcción de un seguidor de un eje de movimiento polar.

Figura 29.- Rendimiento de seguidores solares

6 8 10 12 14 16 180

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hora Solar

Efic

ienc

ia p

or p

erpe

ndic

ular

idad

(%)

Equinoccio de Primavera y Otoño

6 8 10 12 14 16 180

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hora Solar

Efic

ienc

ia p

or p

erpe

ndic

ular

idad

(%)

Equinoccio de Verano

PolarAzimutalHorizontalFijo

6 8 10 12 14 16 180

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Hora Solar

Efic

ienc

ia p

or p

erpe

ndic

ular

idad

(%)

Equinoccio de Invierno


cenidet 42

2. Acotación del ángulo de seguimiento

Idealmente un seguidor solar polar debería recorrer 180º a lo largo de un día, sin

embargo este recorrido resulta impractico debido a que las condiciones orográficas del

terreno difícilmente permiten una visualización del plano horizontal completo, además la

radiación solar en las primeras y últimas horas del día es reducida y deja de ser conveniente

realizar el seguimiento, por lo que se hace necesario realizar una acotación de este ángulo.

Recurriendo nuevamente a la simulación, se reproduce la producción de energía en

un día con datos de radiación proporcionados por el Centro de Investigación en Energía de

la Universidad Nacional Autónoma de México, emplazado en Temixco, Morelos que son

los mas próximos al lugar en que se desea colocar finalmente el seguidor solar. Si a partir

de las 16 horas se detiene el seguimiento pero se mantiene la ultima posición del seguidor,

el rendimiento disminuye en promedio solo 2%, por lo que se puede concluir que podemos

detener el seguimiento a las 16 horas sin afectar de manera considerable la eficiencia del

sistema.

Figura 30.- Acotación del periodo de seguimiento

6 8 10 12 14 16 180

5

10

15

20

25

30

35

40

Hora

Pot

enci

a (W

)

2 eje1 ejeEstático

Periodo de seguimiento


cenidet 43

Los resultados se muestran en la Figura 30, se observa que la producción a lo largo

de un día es parecida a una campana de gauss con el centro en las 12 horas solar, así si se

detiene el seguimiento a las 16 horas se debe comenzar a las 8 horas, con lo que se obtiene

un periodo de seguimiento de 8 horas.

El Sol se mueve 15 grados cada hora aproximadamente en el plano que contiene su

trayectoria, el plano que dibuja la trayectoria del seguidor polar es igual al plano de la

trayectoria del Sol, por lo que el seguidor solar se deberá moverse también 15º por hora,

por lo que en total durante su periodo de trabajo de debe mover 120º, Figura 31.

Figura 31.- Acotación del ángulo de seguimiento

3. Diseño de la estructura del seguidor

Teniendo en cuenta el tipo de seguidor que se tenía que realizar, el diseño de la

estructura se condicionó por dos factores: la cantidad de módulos que debía soportar y por

el tipo de actuador para el movimiento. La estructura se diseñó para soportar dos módulos

BP 350 como especificación primaria.

3.1. Selección del actuador

La selección del actuador se basó en el cumplimiento de las siguientes

características:


cenidet 44

• Funcionamiento con la energía disponible, energía eléctrica de corriente directa

proporcionada por el mismo sistema.

• Capacidad para mantener su última posición sin uso de energía.

• Capaz de proporcionar movimientos pequeños sin la incorporación de más

elementos mecánicos.

• Adecuado para trabajo a la intemperie.

Con base en estas características y la información obtenida de los seguidores que se

ofertan en la actualidad, se optó por el uso de un brazo actuador lineal con transmisión de

tornillo sin fin. El modelo utilizado es el HARL3018+ /Super Jack II+ de la compañía Pro

Brand con una longitud de vástago de 18 pulgadas, soporta una carga dinámica de 600 lb y

una carga estática de 1000 lb [ProBrand, 2007].

Figura 32.- Actuador del seguidor solar

La Figura 32 muestra el actuador utilizado y sus principales componentes, este

actuador cuenta con un sensor magnético de vástago que proporciona 30 pulsos por cada

pulgada de avance lineal, estos pulsos se utilizaron para el sistema de control.

3.2. Diseño del seguidor

Se partió de colocar los paneles a cierta altura para poder realizar el movimiento de

los ejes, esto se hizo con un poste anclado al piso por medio de unos pernos. En la parte

superior del poste se coloca un soporte en forma de “H” que sirve para colocar el eje del

ángulo de altura, que aunque no se mueve de manera automática tiene la posibilidad de

realizarse un ajuste manual, Figura 33.

Movimiento lineal del actuador

Soporte del actuador, ajustable en todo el cuerpo del brazo

Ubicación de las conexiones del motor y el sensor

Motor de CD


cenidet 45

Figura 33.- Poste de soporte y eje de altura

El ajuste manual se logra con la colocación de un tensor de cable entre el poste y el la

estructura en movimiento, la colocación del eje cuenta con un desfase del poste necesario

para permitir el movimiento de la estructura sin necesidad de aumentar la distancia vertical

entre el poste y el eje de giro, Figura 34.

Figura 34.- Solución al ángulo de altura

Sobre el eje se coloca un pedazo del mismo cuadrado del poste que funciona como

soporte para el ángulo de azimut y además para colocar el actuador. El movimiento en el

ángulo de azimut se obtuvo colocando unas “L” en los extremos del soporte y

atravesándolas con un nuevo eje, sobre las “L” se colocó la estructura de soporte de los

módulos, Figura 35. Finalmente sobre esta estructura se colocó la estructura de los módulos

fotovoltaicos completando así el seguidor solar.

Posición del tensor

Desfase del eje de giro

Poste del seguidor

Anclaje del poste“H” de soporte del ángulo de altura

Eje del ángulo de alturaGiro del ángulo

de altura


cenidet 46

Figura 35.- Solución al ángulo de azimut

La Figura 36 muestra el diseño del soporte de los módulos, se observa que existe

una separación entre ellos que es de donde se soporta y que sirve para proporcionar un área

para el paso del aire para evitar que los efectos por la fuerza del viento sean mayores. Se

aprecia la forma en que se encuentran unidos, a base de soldadura pero sobrepuestos, lo que

ayuda a que la soladura no trabaje a cortante y así evitar concentración de esfuerzos.

Figura 36.- Soporte de los módulos

La estructura de los módulos es sujetada a presión por medio de unas barras paralelas

sobre los soportes “L”, y el actuador es colocado en el soporte del ángulo de azimut y actúa

sobre la estructura de los módulos logrando el movimiento del seguidor alrededor del

ángulo de azimut, Figura 37.

Soporte del actuador

Riel de soporte de los módulos

Módulo Fotovoltaico

Espacio de soporte de la estructura

“L” de soporte

Soporte para el ángulo de azimut

Base de soporte para el actuador

Soporte para la estructura de los módulos

Eje del ángulo de azimut


cenidet 47

Figura 37.- Sujeción de los módulos y del actuador

Se concluye con esto el diseño de la estructura del seguidor, las dimensiones de los

componentes se obtuvieron por las dimensiones de los módulos y por los esfuerzos en la

estructura, siendo las partes más críticas la estructura de soporte de los módulos y el poste

del seguidor.

4. Determinación de las fuerzas en el seguidor

La mayor fuerza que soporta un seguidor solar es la provocada por la acción del

viento en la estructura, para efectos de cálculo se consideró la velocidad de viento máxima

que establece el Reglamento de construcción del municipio de Cuernavaca

[RegCons, 2001] (120 km/h).

Para determinar qué fuerza genera sobre el seguidor el viento a esta velocidad se

utilizaron las normas técnicas complementarias para diseño por viento del mismo

reglamento, de acuerdo al siguiente procedimiento.

4.1. Velocidad del viento

Los efectos estáticos del viento sobre una estructura o componente de la misma se

determinan con base en la velocidad de diseño del viento, obtenida de la ecuación (2.9):

RTRD VFFV α= (2.9)

Sujeción de la estructura de los módulos

Colocación del actuador lineal


cenidet 48

Donde:

TRF Factor correctivo de acuerdo a la topografía y rugosidad del terreno

de los alrededores del sitio de desplante.

αF Factor que toma en cuenta la variación de la velocidad con la altura

de la estructura.

RV Velocidad de la región.

4.2. Presión del viento

La fuerza que ejerce el viento sobre una superficie es una función directamente

proporcional al área expuesta. Si se determina la presión que ejerce el viento y se conoce el

área expuesta se puede conocer la fuerza que recibe la estructura por la acción del viento.

La presión que ejerce el viento sobre una superficie determinada se obtiene por medio

de la ecuación (2.10): 247.0 DPz VCP = (2.10)

Donde:

PC Coeficiente local de presión, que depende de la forma de la

estructura.

DV Velocidad de diseño.

4.3. Empujes dinámicos paralelos al viento

Los efectos estáticos y dinámicos debidos a la turbulencia se toman en cuenta

multiplicando la presión de diseño calculada por un factor de amplificación dinámica

determinado con la ecuación (2.11):


cenidet 49

143.0 ≥⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++=

βSFB

CRgG

e

(2.11)

Donde:

( )( )

48.13.2

13600Ln258.03600Ln2 ≥⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=

vvg (2.12)

0R

R

SFv nSF β

=+ Β

(2.13)

( )∫ ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+=

H

dxxx

xbxHB

914

03421

1221

1

4571

134 (2.14)

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

+3=

H

00

V10

1

1

38

1

1bn

VHn

S

H

π (2.15)

( )2

04 32

01R

xFx

=+

(2.16)

( )HVnx 00 1220= (2.17)

eRH RCVV = (2.18)

Donde:

G factor de amplificación dinámica

g factor de respuesta máxima

R factor de rugosidad

B factor de excitación de fondo


cenidet 50

S factor de reducción por tamaño

no frecuencia del modo fundamental de la estructura, Hz

H altura de la estructura

β fracción del amortiguamiento crítico, igual a 0.01 en estructuras de

acero

Ln logaritmo natural

F relación de energía en ráfaga

Ce Factor correctivo por exposición.

Los factores correctivos aquí expuestos fueron evaluados de acuerdo a la

normatividad utilizada, tomando como factores de seguridad los requeridos para estructuras

de anuncios espectaculares por su similitud con la estructura de un seguidor solar.

5. Análisis de los esfuerzos en la estructura

Como se mencionó anteriormente los elemento mas críticos en el seguidor solar son

la estructura de los módulos y el poste, la estructura de los módulos es la que recibe en

primera instancia las fuerzas del viento y las transmite a los demás componentes del

seguidor, los módulos se encuentran posicionados de manera equidistante a partir del eje

de giro del ángulo de azimut, Figura 38.

Figura 38.- Fuerzas en la estructura de los módulos

Ra Rb Rc Rd

Fuerza debida al viento y peso de los módulos

Posición del eje de giro. Re

Módulo PV


cenidet 51

Partiendo de este diseño tenemos el diagrama de fuerzas que se muestra en la Figura

39, se tiene una fuerza repartida en cada punto de apoyo (Ra, Rb, Rc, Rd), debido a la fuerza

ejercida por el viento y al peso de los módulos. Al ser la reacción en el eje de giro la única

fuerza contraria, ésta debe ser igual a la suma de las reacciones en los puntos de apoyo pero

de sentido contrario. En la posición del eje de giro azimutal es donde se presenta el mayor

esfuerzo para la estructura de soporte de los módulos. Determinando este esfuerzo se

dimensiona la estructura de los módulos.

Figura 39.- Diagrama de momentos y fuerzas cortantes

El momento en el eje azimutal se calcula con la fuerza aplicada (F) y la distancia al

punto de apoyo (d),[Mott, 2006]:

M F d= ⋅ (2.19)

Y el esfuerzo que debe soportar el elemento se determina por la fórmula de la

flexión, [Hibbeler, 2006]:

M (Nm)

V (N)

Distancia

Distancia

Rb

Rd

Rc

Ra Re

Mmax


cenidet 52

M cI

σ ⋅= (2.20)

Donde:

M Momento interno resultante.

c Distancia perpendicular del eje neutro al punto más alejado de éste.

I Momento de inercia de la sección transversal calculado respecto al

eje neutro

El poste tiene una longitud reducida y un peso ligero, por lo que se analizó como

una viga empotrada en un extremo y con una carga concentrada en el otro, la carga es

equivalente a toda la fuerza que ejerce el viento sobre el seguidor, se utilizan las mismas

ecuaciones antes expuestas para determinar el momento y esfuerzo a que está sometida. Los

componentes intermedios entre el poste y la estructura se dimensionaron como

consecuencia de las dimensiones de éstos.

6. Control del seguidor

El diseño se basó en el requerimiento de controlar el seguidor sin el uso de sensores

externos haciendo uso del cálculo de la posición por medio de las ecuaciones antes

expuestas. Se determinó que componentes debería tener el “hardware” y a partir de ahí se

programo el “software”.

6.1. Diseño de la tarjeta de control del seguidor

Se determinaron tres componentes principales que debería tener, Figura 40.:

1.-Un microcontrolador

2.- Un reloj en tiempo real que alimentara al microcontrolador con datos de fecha y

hora confiables

3.- Un amplificador de potencia para el accionamiento del actuador.


cenidet 53

Figura 40.- Componentes del sistema de control

Al seleccionar el reloj se buscó que contara con su propia alimentación para la

ocasión en que el sistema se quedara sin energía no se perdieran los datos contenidos en él.

Para retroalimentar el control se utilizó el sensor de avance del actuador, los demás

elementos del hardware sólo son para el funcionamiento de los componentes principales y

los valores se tomaron directamente de las hojas de datos de acuerdo a la configuración

como era necesario utilizarlos. La Figura 41 muestra la conexión entre los componentes

principales y sus completos para su funcionamiento.

Figura 41.- Diagrama esquemático del hardware de control

MicrocontroladorPIC16F877

Reloj DS12887

Amplificador de Potencia


cenidet 54

6.2. Diseño del sistema de control

El microcontrolador no tiene la capacidad de evaluar funciones trigonometrícas de

manera directa necesarias para utilizar las ecuaciones de calculo de posición del Sol por

fecha y hora. Debido a esta eventualidad se utilizaron los planos de la trayectoria solar

previamente realizados para calcular la posición del Sol por medio de la fecha y la hora,

estas posiciones se tabularon y grabaron en el microcontrolador para el control del

seguidor, su funcionamiento básico consiste en actualizar la posición del seguidor cada 15

minutos, periodo de tiempo que garantiza un error menor a 4º suficiente para un seguidor

solar[Pastrana, 2006], con aviso del reloj para garantizar su efectividad.

El seguidor no guarda la información de su posición en caso de falla de energía, por

lo que cada ocasión que exista este evento el seguidor regresa a su posición de inicio

retrayendo el actuador hasta el accionamiento del interruptor de fin de carrera y a partir de

ahí se posiciona.

Cuando el seguidor termina de posicionarse programa la alarma del reloj para el

siguiente movimiento y entra en estado de reposo del que sale cuando la alarma se activa.

Al término del periodo de seguimiento, 16 horas, el seguidor mantiene su última posición

hasta las 20 horas y a continuación regresa a su posición de inicio viendo hacia el este.

Su funcionamiento básico se puede analizar en su diagrama de flujo, Figura 42. La

hora de inicio son las 8 horas en horario solar promediada por cada mes. El programa de

control se muestra en el anexo B.


cenidet 55

Figura 42.- Diagrama de Flujo del software de control

7. Construcción del prototipo

Se construyó el prototipo con base en las dimensiones obtenidas previamente,

siendo necesario sólo unos ajustes en las dimensiones de algunos componentes por

disponibilidad de material y con el fin de abaratar costos, además se modificó la ubicación

del soporte del actuador, obteniendo un prototipo muy parecido al de diseño, Figura 43.

Inicio

Configuración del microcontrolador

Regreso del Seguidor a su posición de inicio

Hora<Hora inicio

Avance del seguidor. Hora=Hora+15min

Hora<Hora inicio

Hora alarma en el reloj=

Hora inicio

El programa entra en etapa de reposo

Fin

Se acciona la Alarma del reloj

Avanza el seguidor.

Si

No

Si

No

Alarma del reloj

Hora=20horas

No

Si


cenidet 56

Figura 43.- Seguidor solar

El diseño contemplo el anclaje del seguidor solar a una base con pernos ahogados,

sin embargo la realización de esta base no fue viable en la instalación final en el laboratorio

del CIICAp por lo que fue necesario colocar el seguidor sobre una plataforma alternativa,

debido a que esta plataforma no fue diseñada para este uso se hizo necesario añadirle peso

para evitar que la fuerza del viento pudiera derribar el seguidor. Los dibujos técnicos de las

piezas del seguidor solar y su ensamble son mostrados en el Anexo E.

57 cenidet

CAPÍTULO IV Diseño del sistema de potencia y

monitoreo

Un sistema fotovoltaico convencional provee corriente alterna o corriente directa de

acuerdo a la aplicación. Cuando la aplicación es de corriente directa y el voltaje difiere del

voltaje del campo de baterías se utilizan los convertidores CD-CD, los niveles de voltaje de

salida en los convertidores comerciales es fija, es decir solo proporcionan un voltaje fijo a

la salida sin posibilidad de variarlo.

La aplicación final de este sistema fotovoltaico en particular es para proveer de

energía a procesos de electrólisis en el laboratorio del CIICAp (Centro de Investigación en

Ingeniería y Ciencias Aplicadas), los experimentos se basan en localizar cuando la

electrólisis se realiza de manera más eficiente realizando el proceso varias veces con los

mismos reactivos y electrodos pero con diferente voltaje cada ocasión. Por lo que fue

necesario el desarrollo de un convertidor CD-CD de salida variable.

El uso en laboratorio implica también el monitoreo de variables asociadas al proceso

para conocer las características del mismo, además de poder proveer un panorama general

de la eficiencia en la captación de energía y su transformación en el producto final. Se

realiza el monitoreo en la computadora de las variables eléctricas tanto en el proceso como

en la producción, almacenamiento y acondicionamiento de la energía, el sensar de manera

automática las variables químicas significaban una inversión muy alta que rebasaba el

presupuesto de este proyecto,

Capítulo IV Diseño del sistema de potencia y monitoreo

cenidet 58

1. Sistema de Potencia

El sistema de potencia consiste en un convertidor CD-CD de salida variable, tiene la

consigna de proveer un voltaje seleccionado por el usuario dentro del rango de uso y una

corriente de acuerdo a la demanda del proceso. El proceso como carga eléctrica se

comporta como una resistencia, pero presenta una demanda de corriente variable, ver

Anexo A, para que se mantenga el proceso es necesario garantizar que el voltaje elegido no

varíe por la demanda de corriente por lo que se requiere un regulador de voltaje.

1.1. Requerimientos del Regulador CD-CD

Un regulador de voltaje variable puede ser conmutado o lineal, el regulador

conmutado es más eficiente, sin embargo el desarrollo de un regulador conmutado con

variable a la salida presenta complicaciones de diseño que sobrepasan los alcances de esta

tesis por lo que se desarrolló un regulador lineal.

El rango especificado del voltaje de salida por parte del usuario final fue de 0 a 10

V, el regulador lineal tiene como característica que su eficiencia depende de la diferencia

entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida, cuanto mayor sea esta diferencia menor

será la eficiencia del regulador [Flores, 2007]. El sistema desarrollado contaba ya con dos

baterías, que si se conectan en seria proveen 24 V y en paralelo 12V, por lo que un voltaje

más cercano al valor de voltaje a la salida es con las baterías conectadas en paralelo con lo

que se tiene una mejor eficiencia en el regulador.

En cuanto a la corriente que debería poder proveer el regulador se especificó un

máximo de 6 A, valor teórico de corriente que los dos módulos fotovoltaicos generan. La

variación en la demanda de corriente en los experimentos no sobrepasa 1 A. y la duración

del experimento es de 8 horas regularmente.


cenidet 59

1.2. Selección y configuración del regulador

El regulador lineal que cumple con los requisitos especificados es el LT1083 en su

configuración de regulador ajustable, Figura 44, los capacitores sirven para desacoplar las

señales y su valor viene especificado en la hoja de datos.

Figura 44.- Regulador Lineal, configuración básica [LT1083]]

El voltaje de salida (Vout) es una función de la diferencia entre la resistencia R1 y la

resistencia variable RV1, de acuerdo a la siguiente ecuación:

11.25 11

RVVout VR

⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠

(3.1)

Como se puede observar en la ecuación, el voltaje de salida mínimo es de 1.25V,

que es el voltaje de referencia dentro del dispositivo. Esta característica es no deseable para

las especificaciones ya que se requiere que el voltaje sea seleccionado desde 0, ya que en

algunos experimentos de electrólisis el voltaje de activación es mínimo.

Para lograr que el voltaje a la salida baje hasta 0 V, es necesario añadir una nueva

referencia al regulador, con un diodo zener y una resistencia alimentadas de un voltaje

negativo Figura 45, conectándolo de esta forma la referencia que ve el regulador de voltaje

es de 1.25V tomada desde -1.2V.


cenidet 60

Figura 45.- Eliminación del voltaje de referencia [LM317]

El problema en esta configuración es que es necesario contar con un voltaje

negativo, para lo cual hay que añadir un componente más, el TC7660 en configuración de

conversor negativo simple [TC7660], con lo que se completó el regulador de voltaje con un

rango de trabajo de 0-10 V y corriente de hasta 6 A, Figura 46. Debido a la cantidad de

potencia que tiene que disipar el regulador se le adicionó un disipador de calor y un

extractor de aire.

Figura 46.- Regulador de Voltaje 0 - 10 V 6A

2. Sistema de Monitoreo


cenidet 61

Para poder conocer de manera eficaz el rendimiento del sistema es necesario saber

cuanta energía se produce, almacena, llega al regulador de voltaje y el consumo del proceso

de electrólisis, por lo que es necesario monitorear cuatro puntos del sistema, como se

muestra en la Figura 47. Las variables que hay que sensar son el voltaje y la corriente.

Figura 47.- Puntos de Monitoreo en el sistema

2.1. Medición del Voltaje

El sistema de monitoreo envía los datos a una computadora para su almacenamiento

y manipulación, la interfaz entre la adquisición de datos y la computadora se realizó con

una tarjeta de adquisición de datos, NI USB-6008, capaz de leer ocho entradas analógicas,

se utilizó una de ellas por variable.

Las entradas analógicas leen voltaje en rango de 0 a 10 Volts así que no fue

necesaria una adaptación de la señal para el caso del voltaje. El voltaje en los módulos,

baterías y la entrada al regulador de voltaje es de 12 V ó mas dependiendo de la carga de las

baterías, por lo que se implementó un divisor de voltaje en estos puntos para ajustar el

voltaje de lectura al rango de trabajo de la tarjeta.

2.2. Medición de la Corriente

Regulador de Carga

Regulador de Voltaje

Puntos de Monitoreo


cenidet 62

Para medir la corriente hubo que traducir la señal en voltaje y ajustarla al rango de

la tarjeta de adquisición de datos. Debido a la cantidad de corriente que se necesitaba sensar

la opción más viable encontrada para realizar la traducción de señales fue el uso de un

sensor de efecto Hall, que mide el campo magnético producido por el paso de la corriente

en un conductor y no produce pérdidas en la medición. La opción elegida fue un ACS712

en configuración básica, Figura 48.

Figura 48.- Sensor de efecto Hall [ACS712]

Para realizar el ajuste de la señal se recurrió al uso de amplificadores operacionales,

en configuración amplificadora diferencial, Figura 49. Los valores de las resistencias se

calcularon de manera tal que la relación de voltaje contra corriente sea de 1V/A.

Figura 49.- Sensado de Corriente


cenidet 63

El cálculo de las resistencias se obtiene mediante la fórmula (3.2), [LM324],

siempre que se cumpla que 1 2 4 3R R R R= , fue necesario un arreglo similar para cada uno

de los cuatro puntos de medición de corriente.

( )4/ 2

3

R1Rout salida sensor entradaV V V

⎛ ⎞= + −⎜ ⎟

⎝ ⎠ (3.2)

2.3. Interfaz de monitoreo

La interfaz del sistema tiene como objetivo principal mostrar el flujo de energía en

el sistema y almacenar la información para su posterior uso y manipulación, además de

realizar la gráfica de comportamiento de ciertas variables consideradas por el usuario final

para un monitoreo más ilustrativo, la Figura 50 muestra la estructura del programa

realizadó.

Figura 50.- Diagrama de flujo de la interfaz de monitoreo

La Figura 51 muestra la pantalla principal del programa de monitoreo en donde se

observan el valor en tiempo real de las variables monitoreadas de cada componente, la

interfaz permite escoger el periodo de almacenamiento y su momento de inicio, muestra el

valor actual, no es permisible la manipulación de los datos almacenados hasta el momento

en que se detiene el programa.

INICIO

Lectura de señales

Acondicionamiento de señales

Presentación de señales Almacenamiento

de dato

Botón “Stop”

activado Fin

Si No


cenidet 64

Figura 51.- Interfaz de Monitoreo

El uso de la interfaz de monitoreo no condiciona la utilización del resto del sistema

ya que su desconexión no afecta a ningún componente adicional, por lo que el sistema se

puede utilizar sin la condición de contar con una computadora para el monitoreo, siempre y

cuando no sea útil la información ahí generada. El anexo B presenta un manual de

utilización de la interfaz.

65 cenidet

CAPÍTULO V Integración y Pruebas del sistema

El desarrollo del sistema se dividió en partes de tarea específica que fueron resueltas

de manera individual para su posterior integración. Estos partes son: 1.- el seguidor solar,

2.- almacenamiento de la energía, 3.- monitoreo y 4.- potencia.

El monitoreo se conforma del acondicionamiento de señales y la interfaz con la

computadora y el de potencia por el regulador variable de voltaje. La ubicación de cada en

el sistema y su interacción se muestra en la Figura 52, así como las características del flujo

de energía entre ellos. Todos los componentes se encuentran dentro del laboratorio de

electroquímica del CIICAp a excepción del seguidor solar que se encuentra en la azotea del

mismo. Estos componentes fueron desarrollados y construidos de manera específica para la

aplicación.

El almacenamiento de energía esta compuesto por el controlador de carga y las

baterías, todos componentes comerciales. El numero de baterías utilizadas fue condicionado

por la tenencia ya de dos baterías por parte del CIICAp, el controlador de carga implicaba

un desarrollo más elaborado que sobrepasaba los alcances del trabajo de tesis por lo que se

utilizó uno comercial, solo hubo que seleccionar el adecuado para la cantidad de energía en

el sistema.

El funcionamiento de cada componente se probó de manera individual y en conjunto

considerando las especificaciones de CIICAp.

Capítulo IV Integración y pruebas del sistema

cenidet 66

Figura 52.- Sistema Fotovoltaico Completo desarrollado

1. Integración del sistema

La integración del sistema para su funcionamiento en conjunto se comenzó en el

diseño de cada subsistema ya que se utilizaron las características de la señal de interacción

como requerimiento de diseño para cada uno. La integración física se condicionó por la

ubicación de cada tamaño de cada componente.

La Tabla 3 muestra los componentes de cada sistema, sus características e indica si

fue adquirido o desarrollado en específico para el sistema. Al inicio del proyecto ya se

contaba en existencia con las baterías y los módulos.


cenidet 67

Tabla 3.- Componentes del sistema desarrollado

Componente Cantidad Características

Sistema del seguidor solar

Módulos solares 2 Marca: BP solar, modelo: BP350, capacidad: 50 W

Seguidor solar 1 Diseño propio de seguidor polar, capacidad: 2 módulos

Sistema de monitoreo Tarjeta de acondicionamiento 1 Diseño propio para sensado de voltaje y corriente.

Capacidad: 0-10V 0-10 A Tarjeta de adquisición 1 Marca: NI, Modelo: USB6008

Interfaz de monitoreo 1 Diseño propio bajo plataforma labview

Sistema de potencia Regulador de voltaje variable 1 Diseño propio, capacidad: 10 A, 0-10 V

Sistema de almacenamiento de energía

Baterías 2 Marca: Nautilus, Modelo: NC27, capacidad: 100 Ah Controlador de carga 1 Marca: Morningstar, Modelo: PS15, capacidad: 15A

Físicamente los componentes dentro del laboratorio se integraron en un panel de

control para su mejor funcionamiento y evitar la conexión externa de ellos, además de

facilitar su uso y emplazamiento al usuario final, Figura 53 . Solo las baterías, debido a su

tamaño y peso, fueron dejadas fuera de este panel.


cenidet 68

Figura 53.- Panel de control del sistema

Se colocaron en el panel de control unos indicadores de voltaje y corriente de la

carga en el panel de control para visualizar estas variables en caso de que no se esté

haciendo uso de la interfaz de monitoreo.

La tarjeta de adquisición de datos también se encuentra dentro del panel por la

cantidad de conexiones que habría que realizar en caso de que estuviera fuera, sólo sale el

cable de conexión a la computadora. La operación del sistema se detalla en el anexo C.

2. Pruebas y resultados del sistema

Las pruebas y resultados de funcionamiento del sistema se dividen en las pruebas

individuales a cada componente y las pruebas del sistema completo. Las pruebas se

realizaron emulando la carga del sistema como una resistencia pura. Las pruebas se

realizaron de acuerdo a las especificaciones de uso del CIICAp.

Regulador de Carga

Encendido de los Indicadores

Regulación de Voltaje de carga

Interruptor del sistema: baterías, paneles, carga

Interruptor del seguidor solar

Conexiones del sistema

Indicadores de V e I de la carga


cenidet 69

2.1. Pruebas y resultados de los componentes

Las pruebas de funcionamiento de los subsistemas se presentan en orden de

desarrollo de cada uno de ellos. Las pruebas se realizaron para evaluar su rendimiento de

acuerdo a su tarea específica.

2.1.1. Seguidor solar

Las pruebas realizadas al seguidor solar tuvieron como finalidad medir la ganancia

obtenida y la eficacia del seguimiento. La época del año en que la trayectoria aparente del

Sol y del seguidor construido coincide fielmente es en los equinoccios de primavera y

otoño, la prueba de eficacia en el seguimiento se realizó en el equinoccio de primavera, por

lo que se esperaba observar un error nulo en el ángulo de altitud y un error menor a 4º en el

ángulo de azimut durante el periodo de seguimiento.

Para poder realizar la prueba de eficacia fue necesario medir el ángulo entre los

rayos solares y la normal a los módulos en el seguidor solar que indicara el error absoluto

del seguidor. Se sabe que la sombra se produce por que la luz es obstaculizada por un

objeto, si colocamos un vástago en dirección de los rayos solares no debe de existir sombra

debida a este objeto, sin embargo si los rayos solares no son paralelos al vástago se

producirá una sombra que estará en función del ángulo entre ellos y de la altura del vástago,

Figura 54 .


cenidet 70

Figura 54.- Análisis para la medición del ángulo de error

Si se conoce la altura del vástago y se mide la sombra proyectada se puede calcular

el ángulo entre ellos con la siguiente fórmula:

1tan Proyeccion de la SombraÁngulo errorAltura del vástago

− ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (4.1)

Para facilitar la medición en campo de la sombra proyectada se realizó un patrón

con el valor impreso del ángulo equivalente a la sombra proyectada. A este patrón se le fijó

el vástago y fue colocado entre los dos paneles que contiene el seguidor solar, Figura 55.

Figura 55.- Patrón de medición del ángulo de error

Altura del vástago

Proyección de la sombra

Dirección de los rayos solares

Ángulo entre los rayos solares y el vástago


cenidet 71

La sombra proyectada sobre este patrón se divide en dos componentes, la del ángulo

de azimut y la del ángulo de altitud. De la Figura 56, se puede observar que si trazamos dos

ejes sobre los módulos, uno de norte a sur y el otro de este a oeste, la distancia

perpendicular del eje norte-sur hasta la sombra corresponde al error ocasionado por el

ángulo de azimut, y la distancia perpendicular del eje este-oeste hasta la sombra pertenece

al ángulo de altitud. Estos ejes también fueron trazados en el patrón.

Figura 56.- Componentes de la sombra proyectada

Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 57, se observa que el error

máximo durante el periodo de seguimiento es menor a los 4º establecidos en los

requerimientos de diseño. La resolución aquí observada corresponde sólo al error en el

ángulo de azimut que es el que realiza el movimiento automático.

El error en el ángulo de altitud para la prueba fue de cero por la época en que se

realizó, el valor de éste fluctuara a lo largo del año desde 0º en los equinoccios de

primavera y otoño hasta 23º en los solsticios de verano e invierno, mientras que el error en

el ángulo de azimut siempre observara el mismo comportamiento.

Para obtener un error en el ángulo de altitud menor a lo largo del año se puede

ajustar la altitud del seguidor de manera manual guiándose por la sombra proyectada en el

Eje del ángulo de altitud

Eje del ángulo de azimut


cenidet 72

patrón a las 12 hora solar del día, aun así siempre existirá un error en el ángulo de altitud a

excepción de los equinoccios.

Figura 57.- Resultados de la prueba de resolución del seguidor

Para observar la ganancia obtenida con el uso de un seguidor solar en comparación

con un módulo en una estructura fija se colocó uno de los módulos con que se contaba

sobre el seguidor y el otro en una posición fija orientado de norte a sur y con una

inclinación igual a la latitud del lugar. Los módulos se colocaron cercanos entre sí para

garantizar condiciones iguales de radiación en la prueba, Figura 58.

Figura 58.- Prueba de ganancia con el seguidor

Módulo en el seguidor

Módulo fijo

0

2

4

6

8

10

12

14

7,00 8,00 9,00 10,00 11,00 12,00 13,00 14,00 15,00 16,00 17,00

Hora solar

Áng

ulo

de E

rror

(gra

dos) Periodo de

seguimiento


cenidet 73

Esta prueba resultó no satisfactoria debido a que los módulos aun siendo de la

misma marca y modelo presentaban un rendimiento diferente en las mismas condiciones de

operación. Por lo que se repitió pero ahora utilizando sólo un módulo, que se colocaba en el

seguidor, se realizaba la medición e inmediatamente se movía a su posición fija y se

realizaba la medición.

Los módulos fueron sometidos a una carga resistiva, se midió el voltaje en las

terminales y como se conocía el valor de la resistencia, con lo que pudo obtener la potencia

que estaba produciendo el módulo en condición fija y con seguimiento, Figura 59.

Figura 59.- Medición del rendimiento del seguidor

Los resultados se observan en la Figura 60. La zona sombreada corresponde a la

ganancia en energía obtenida por el uso del seguidor solar en el módulo fotovoltaico. Al

término del seguimiento la caída tan abrupta observada en la potencia de cada módulo

corresponde a la disminución de la radiación solar, Figura 26, y no tanto al término del

seguimiento.

El rendimiento a las 12 hora solar es igual ya que a esa hora el seguidor solar debe

observar la mismo orientación que el módulo fijo. En todo el tiempo restante del periodo de

seguimiento se observa un mejor rendimiento en el módulo colocado en el seguidor solar.


cenidet 74

De manera general, el módulo en el seguidor produjo un 26% más de energía que el

módulo que permaneció fijo, que de acuerdo a la Figura 28 es el mayor rendimiento que se

observará en el seguidor a lo largo del año. En término de energía se generaron 262 Wh en

el modulo sobre el seguidor solar y 207 Wh en el modulo que permaneció fijo, esto es 55

Wh mas en el módulo del seguidor solar. El consumo de energía del seguidor solar es de .4

Wh al día.

Figura 60.- Comparación de resultados del rendimiento del seguidor solar

La Tabla 4 muestra un resumen de los resultados obtenidos en las pruebas. A las 17

horas el módulo en movimiento observa un error de 12º, que no justifica la caída de

potencia por lo que se atribuye a la disminución de la radiación debido a la hora del día.

Tabla 4.- Resultados de las pruebas al seguidor solar

hora solar Ángulo error Potencia Seguidor Potencia fijá Potencia ganada 8.00 2 28.89 8.09 20.80 9.00 2 29.85 18.27 11.58

10.00 2 31.18 27.06 4.12 11.00 3 32.35 31.36 1.00 12.00 3 31.31 31.40 - 0.09 13.00 2 31.18 31.00 0.18 14.00 2 30.33 29.23 1.10 15.00 3 30.60 23.12 7.48 16.00 3 28.07 10.56 17.51 17.00 12 5.81 2.53 3.28

-

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00

Hora solar

Pote

ncia

en

el m

odul

o (W

)

Con movimiento

sin movimiento

Periodo de seguimiento


cenidet 75

La ganancia negativa de -0.09 a las 12 horas se atribuye a los 3º de error en el

seguidor solar.

2.1.2. Sistema de potencia

Las pruebas al sistema de potencia consistieron en verificar la estabilidad del

sistema en las condiciones de operación establecidas por el CIICAp:

1.- Periodos de trabajo de 8 horas.

2.-Demanda de voltaje constante.

3.-Cambios en la demanda de corriente.

La prueba de estabilidad de máxima potencia se llevo a cabo, con un voltaje a la

salida de 10 V y una corriente de 6 A demandada por una carga resistiva. La finalidad de

esta prueba es observar que no exista ninguna caída de voltaje asociada al calentamiento del

regulador durante el periodo de 8h que dure el proceso de electrólisis. Los resultados se

observan en la Figura 61.

Figura 61.- Resultados de la prueba de estabilidad del regulador de voltaje

-

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

08:48 a.m. 10:00 a.m. 11:12 a.m. 12:24 p.m. 01:36 p.m. 02:48 p.m. 04:00 p.m.

Hora

Vol

taje

(Vol

ts)


cenidet 76

Se observa que aun trabajando a potencia máxima el regulador de voltaje no

presenta ninguna variación en el voltaje entregado, por lo que puede utilizarse en periodos

de trabajo igual a 8 horas.

La segunda prueba realizada al regulador de voltaje fue de estabilidad ante cambios

en la demanda de corriente. Para ello se seleccionaba un voltaje en el regulador y se

conectaba y desconectaba una carga resistiva tal que a los 10 V demandara 6 A. El

intervalo entre un valor y otro de voltaje fue de 1 V, la Figura 62 muestra los resultados

obtenidos.

Se puede observar cierta variación en el voltaje ante variaciones muy fuertes en la

demanda de corriente, la mayor observada fue a los 10 V cuando pasó de 0 a 6 A, y hubo

una variación en el voltaje de 0.2 V, sin embargo las variaciones de corriente reportadas por

el CIICAp no exceden los 500 mA, y en ese rango la variación de voltaje en el regulador

fue de 0.05 V.

Figura 62.- Resultados de la prueba de cambios en la demanda de corriente


cenidet 77

Con esta misma prueba se puede observar que el regulador es capaz de entregar toda

la corriente que demanda la carga con un máximo de 6 A, aunque en las pruebas se pudo

observar un máximo de 7 A. Y el rango de trabajo de voltaje cumple con lo establecido en

diseño que fue de 0 a 10 V.

Por último se analizó la eficiencia que presenta el regulador en distintas

condiciones, las pérdidas se presentan por la diferencia de voltaje entre la entrada y la

salida del regulador como se expuso anteriormente, ya que las pérdidas internas son

mínimas, con la resolución del sensor no fue posible detectar estas pérdidas. Por lo que

puede asumir que la eficiencia en el regulador equivale a:

100VoutEficienciaVin

×= (4.2)

Y lo que se pierde de energía en Watts en el regulador esta dado por:

( )Pérdidas Vin Vout I= − × (4.3)

Figura 63.- Cálculo de la eficiencia del regulador de voltaje

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Voltaje de Salida (V)

Efic

ienc

ia (%

)


cenidet 78

Si graficamos la eficiencia observada obtenemos la Figura 63, que muestra que

entre menor sea el voltaje utilizado en el experimento de electrólisis menor será la

eficiencia del regulador. La curva de eficiencia presenta un comportamiento similar en los

reguladores conmutados ya que entre mas lejos se encuentre el punto de operación del

punto de diseño de máxima potencia menor es la eficiencia del regulador.

Se pueden analizar de igual manera las pérdidas en el regulador bajo distintas

condiciones de operación, su comportamiento se observa en la Figura 64, en donde se

observa que entre mas sea la corriente de salida mayores serán las pérdidas en el regulador

de voltaje. Su mejor comportamiento es observado cuando el voltaje de salida es igual a

10V.

Figura 64.- Pérdidas en el regulador de voltaje

0 1 2 3 4 5 60

10

20

30

40

50

60

70

Corriente de Salida (A)

Per

dida

s (W

)

Vout=10 V

Vout=1 V


cenidet 79

2.1.3. Sistema de monitoreo

La primer prueba del sistema de monitoreo consistió en analizar las señales que se

estaban adquiriendo y corroborar que correspondieran con las reales. Para ello se midió de

manera individual cada señal y se cotejó contra el sistema de monitoreo, hubo que ajustar

los valores del sistema de monitoreo por medio de una curva con lo que se logró que la

diferencia entre las señales medidas y las observadas en el sistema sea menor a .01 V en el

caso de las señales de voltaje y 0.01 A en las señales de corriente.

El ajuste final a las mediciones se realizó por software por lo que es fácil

modificarlo en caso de que un sensor o componente de la tarjeta de acondicionamiento de

señales sufriera cambios en su comportamiento por las condiciones de uso o de traslado.

La tarjeta de adquisición de datos tiene un rango de trabajo que se corroboró,

además se hicieron pruebas en los sensores de corriente para observar su funcionamiento a

corriente máxima (6 A), no se presentó calentamiento y siguieron presentando la misma

linealidad, no se observo histéresis en las mediciones.

La interfaz de monitoreo fue sometida a un periodo de trabajo de 8 horas

almacenando datos con el menor intervalo especificado (cada segundo) para garantizar que

el software no saturaba la memoria de la computadora en estos casos, la prueba se realizó

sin contratiempos y al final se obtuvo un archivo de datos de 7.49 MB, es necesario hacer

notar que esto podría variar de acuerdo a las características de hardware de la computadora

utilizada finalmente. Previendo una falla de este tipo el software almacena los datos cada

10 minutos en archivo por lo que no se perderían todos los datos de la prueba en caso de

falla.


cenidet 80

2.1.4. Pruebas al subsistema de almacenamiento de energía

El sistema de almacenamiento de energía consta de dos baterías de ciclo profundo

marca Nautilus modelo NC-27 con capacidad de 100Ah cada una conectadas en paralelo y

un regulador de carga Prostar PS-15M de 15 A de capacidad, durante las pruebas realizadas

la mejor eficiencia observada fue de 96%.

Se realizó una prueba de descarga profunda a las baterías para conocer realmente la

cantidad de energía que son capaces de proveer cuando se encuentran completamente

cargadas.

La prueba consistió en colocarle una carga resistiva 6 A y dejarla conectada hasta el

momento en que el cargador de batería desconectara las baterías del sistema. Al inicio de la

prueba el campo de baterías proveía 13.5 V, al final de la prueba se observo un voltaje de

11.4 V, la duración de la prueba fue de 30 horas con 15 minutos, tiempo en el que el

sistema entregó 2.178 KWh de energía.

De acuerdo a las especificaciones cada batería tiene una capacidad de 100 Ah, que

significa que puede entregar 5 A a su voltaje nominal durante 20 horas, conectadas en

paralelo se tienen disponibles 10 A por 20 horas, y si le exigimos 6 A la pruebo debió durar

33 horas con 20 minutos, se tiene entonces una eficiencia en el almacenaje de 90.75% con

base en la capacidad enunciada por el fabricante.

Se puede concluir que si se realiza un experimento de electrolisis exigiéndole al

sistema 6 A y no se esta produciendo energía en los paneles fotovoltaicos, se tiene

disponible energía por un periodo de 30 horas con 15 minutos para realizar este

experimento, no importa el voltaje a que se haga dentro del rango ya que el resto de energía

se pierde en el regulador de voltaje, que requiere un nuevo desarrollo para evitar estas

pérdidas.


cenidet 81

Para demandas de corriente menores se puede determinar que el tiempo aproximado

de energía disponible sin la producción de los paneles fotovoltaicos con la siguiente

fórmula planteada:

217812

tI

≈×

(4.4)

Donde I corresponde a la corriente que consume el proceso, 12 es el voltaje

promedio de la batería y 2178 es la energía que el sistema entrego en la prueba de descarga

profunda. La fórmula sólo es válida partiendo de tener las baterías a carga máxima.

No fue posible determinar de manera exacta la energía disponible en las baterías, ya

que en el regulador de cargo sólo se cuenta con indicadores de carga completa, media carga

y descargada. Durante la prueba se observó que el indicador de carga completa permanece

encendido hasta el 80% de la cantidad de energía que entrego y en media carga durante el

resto de la prueba.

2.2. Sistema completo

Se realizó una prueba al sistema para conocer su funcionamiento en conjunto,

utilizando como carga una resistencia para emular el proceso de electrólisis. El voltaje de

alimentación en el proceso fue de 1.35 V y la corriente de 0.91 A correspondientes a un del

reporte del CIICAp, [Álvarez, 2005]. La prueba se realizó durante 7 horas el día 18 de

octubre.

Durante la prueba hubo nubosidad muy densa sin que se presentara lluvia, debido a

estas condiciones los módulos presentaron un comportamiento variable a lo largo del día

condicionado por la nubosidad, Figura 65. Se pueden observar caídas de potencia del orden

del 60% dependiendo la densidad de la nube.


cenidet 82

Figura 65.- Comportamiento de los módulos en días nublados

Estos resultados dan una idea del comportamiento de los módulos fotovoltaicos bajo

condiciones adversas para tomarse en cuenta en proyectos donde las condiciones climáticas

presenten esta característica durante largos periodos en el año.

Al final de la prueba se produjeron 283 Wh de energía, de los cuales 172 Wh se

almacenaron en las baterías y 92 Wh entraron al regulador de voltaje, el regulador de carga

de las baterías mostró una eficiencia de 94.19%,

De la energía que recibió el regulador de voltaje sólo 10 Wh se utilizaron en el

proceso, el resto se disipó como calor y se utilizó para el funcionamiento del extractor de

aire del regulador. La eficiencia con la que se desempeñó fue de 10.94%, valor que ya se

esperaba por el bajo voltaje a la salida, con lo que se puede comprobar de acuerdo a la

Figura 63 que es posible determinar la eficiencia del regulador de voltaje con la ecuación

(4.2) previo a un experimento.

La Figura 66 muestra el rendimiento general del sistema, se observa que aun con las

condiciones meteorológicas adversas durante la prueba el sistema produjo más energía de la

que se consume para su operación.

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

10:33 a.m. 11:45 a.m. 12:57 p.m. 02:09 p.m. 03:21 p.m. 04:33 p.m.

Hora

Pote

ncia

(W)


cenidet 83

Figura 66.- Rendimiento general del sistema

Si el experimento hubiese sido a potencia máxima, en la entrada del regulador de

voltaje se hubiesen tenido 267 Wh y en el proceso 223 Wh, suficiente para alimentar al

proceso durante 3 horas sin necesidad de utilizar la energía de las baterías.

En un día soleado se capta aproximadamente 620 Wh. Tomando en cuenta la

eficiencia de los componentes observada, se podría abastecer el sistema en su punto de

máxima potencia por 8 horas y 6 minutos antes de que el sistema requiera de la energía

almacenada en las baterías. En un día con lluvia constante, la máxima potencia observada

fue de 20W, con una captación total de 150 Wh aproximadamente, que aportaría la energía

necesaria para trabajar en el punto de máxima potencia sólo por una hora y 57 minutos.

Tabla 5.- Rendimiento del sistema en distintas condiciones de operación

Funcionamiento del proceso sin uso de las baterías con

demanda de corriente diferente

(horas)

Condición

climatológica

Energía

producida

(Wh) 1 2 3 4 5 6

Soleado 620 49 24 16 12 10 8

Nublado 267 21 10 7 5 4 3

Lluvioso 150 12 6 4 3 2 2

Regulador de Carga

Regulador de Voltaje

172 Wh

92 Wh283 Wh 10 Wh

10.94 %94.19 %


cenidet 84

La Tabla 5 muestra un resumen de lo que el sistema produce en distintas

condiciones de operación y la cantidad de tiempo que se puede realizar una prueba sin la

utilización de la energía en las baterías con un voltaje de 10 V en el proceso y distintas

corrientes, de 1 a 6 A .

La Tabla 6 corresponde a la cantidad de energía que el proceso puede recibir

directamente de los paneles fotovoltaicos en las distintas condiciones de operación, y bajo

una demanda de voltaje diferente, 1 a 10 V, tomando en cuenta que las pérdidas en el

regulador de voltaje dependen del voltaje del proceso.

Tabla 6.- Energía suministrada al proceso por el sistema

Energía al proceso de los paneles fotovoltaicos con

distintos voltajes

(Wh)

Condición

climatológica

Energía

producida

(Wh) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Soleado 620 49 97 146 195 243 292 341 389 438 487

Nublado 267 21 42 63 84 105 126 147 168 189 210

Lluvioso 150 12 24 35 47 59 71 82 94 106 118

La energía producida es un aproximado de lo observado en los días de prueba, este

valor presentará variaciones a lo largo del año por lo que sólo se debe tomar como una

referencia y no como un valor exacto. La Figura 28 se puede tomar como referencia de lo

que se captara con el sistema a lo largo del año.

85 cenidet

Conclusiones y trabajos futuros

1. Conclusiones

En el presente trabajo de investigación se diseñó y construyó un prototipo funcional

de un sistema fotovoltaico para su aplicación como fuente de energía para procesos

electroquímicos, con la adición al sistema de un seguidor solar para mejorar su eficiencia.

Se realizó el análisis de los módulos fotovoltaicos para determinar de manera teórica la

mejora que se obtendría con un seguidor solar y la cantidad de energía que produciría el

sistema.

Se analizaron los diferentes tipos de seguidores en el mercado obteniendo

características de cada una para su análisis, se obtuvo la trayectoria aparente que dibujan en

el espacio, además de que se analizó la trayectoria de seguimiento de cada seguidor de

acuerdo a su eje de rotación para obtener una idea del algoritmo de control que se debe

seguir.

La simulación de la ganancia obtenida con cada tipo de seguidor solar, el análisis de

su trayectoria y eje de rotación, el entendimiento de las ecuaciones para obtener la

trayectoria aparente del Sol y la obtención del algoritmo de control en los seguidores

solares permitieron desarrollar un seguidor solar controlado por cálculos astronómicos con

una resolución que se encuentra dentro de las especificadas en los seguidores solares

comerciales.


cenidet 86

Las pruebas del sistema y la simulación realizada permiten obtener un panorama

general del funcionamiento de los módulos fotovoltaicos bajo diferentes condiciones de

operación. Su uso y aplicación puede entonces diseñarse de manera mas objetiva para

garantizar el funcionamiento del sistema sin problemas de abastecimiento, tomando en

cuenta los factores que afectan su rendimiento.

Con base en los resultados obtenidos, aun con estas consideraciones del rendimiento

del sistema, se puede proveer energía a los procesos que actualmente se realizan en el

CIICAp con solo la energía producida en los módulos, siendo sólo necesario el uso de las

baterías en condición de lluvia cuando los módulos presentan su menor rendimiento.

Se analizó la ganancia que se obtiene en la producción de energía a través de

módulos fotovoltaicos con el uso de un seguidor solar, con lo que se puede concluir:

• Se cumplió la hipótesis planteada al inicio de este proyecto, obteniendo un

rendimiento mayor de 26% con el uso del seguidor solar.

• Las condiciones meteorológicas suponen una disminución considerable en el

rendimiento del sistema proporcional a la densidad de las nubes o lluvia

presentada, la caída en potencia llega hasta 60% de acuerdo a la densidad de

la nube.

• La suciedad en la superficie de los módulos afecta el rendimiento de los

mismos, es recomendable limpiar la superficie de manera periódica para

evitar la acumulación de polvo, se observó un aumento del 0.5% después de

limpiar la superficie de los módulos.

• La adición de un segundo eje en un seguidor solar aporta una ganancia

adicional de 5%, que no justifica su adición.


cenidet 87

• Entre los seguidores solares de un eje el que reporta un mejor rendimiento a

lo largo del año es el seguidor solar polar.

• El método de seguimiento por cálculos astronómicos presenta una buena

resolución que puede incluso disminuirse acortando los tiempos de ajuste, en

las pruebas el error fue menor a 3º.

• Al no utilizar sensores el seguidor solar no es afectado por las condiciones

climatológicas.

• El incremento de la eficiencia en la generación de energía con el uso de

seguidores solares supone tener un área menor instalada en instalaciones

fotovoltaicas, que redunda en un menor costo inicial de las instalaciones.

• El costo del seguidor solar, anexo C, no resultó redituable para este proyecto

ya se obtuvo un 26% mas de generación de energía, pero con lo que costo se

hubiese podido comprar otro modulo y se obtendría un 50% mas de energía.

2. Mejoras y trabajos futuros

El regulador de voltaje desarrollado presenta pérdidas muy considerables por lo que

se debe mejorar y migrar en tecnología al uso de convertidores conmutados más eficientes.

Este nuevo desarrollo debe realizarse en conjunto con el CIICAp de manera que las

especificaciones de diseño puedan acotarse para la obtención de mejores resultados.

Se hace notar también la necesidad de utilizar la energía generada ya que con los

procesos actuales realizados el sistema producirá más de lo utilizado y al cargarse

completamente las baterías esa energía dejara de producirse.

Es factible continuar la línea de investigación aportando ahora el control sobre el

proceso de electrólisis o desarrollando tecnología propia para el resto de los componentes

del sistema: módulos fotovoltaicos, regulador de carga y baterías.


cenidet 88

Finalmente cuando el CIICAp determine el voltaje de operación optimo en su

proceso de electrolisis y la potencia requerida se podrá desarrollar un convertidor CD-CD

específico incrementando considerablemente la eficiencia del componente.

89 cenidet

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93

Anexo A Electrólisis y energía Solar

La naturaleza intermitente de la energía solar hace necesario que esta sea

almacenada antes de utilizarse para garantizar un abastecimiento continuo y estable,

actualmente esto se hace a base de baterías de ciclo profundo las cuales son especialmente

desarrolladas para aplicaciones de energía fotovoltaica, debido a que estos sistemas son

poco eficientes se están desarrollando otras formas de almacenamiento.

Una alternativa que esta siendo estudiada actualmente es el almacenamiento de la

energía como producto químico obtenido a través de un proceso de electrólisis, esto es

factible ya que los procesos de electrólisis son alimentados directamente por corriente

directa y esto evita que se tenga que convertir a corriente alterna evitando las pérdidas

inherentes a esta conversión.[Montes, 2006]

Actualmente, el CIICAp esta investigando la producción de Hidrógeno H2 y

Peróxido de Hidrógeno H2O2 por electrólisis en función del potencial aplicado. De manera

paralela se esta implementando la energía solar como fuente de energía de estos procesos

de electrólisis. [Alvarez, 2005]

Debido a que lo que se va a alimentar por medio del prototipo es un proceso de

electrolisis, se debe conocer su comportamiento como carga eléctrica y requerimientos

hacia el sistema fotovoltaico para que este funcione correctamente como fuente de energía.

[Rzayeva, 2001]

94

1) Resistencia de los electrólitos

La electrolisis es la descomposición de una sustancia por el paso de una corriente

eléctrica a través de ella. En el caso de las soluciones electrolíticas, la conducción de

corriente se da mediante los iones de la disolución, los cuales se mueven en distintas

direcciones bajo la acción del campo eléctrico producido por la diferencia de potencial

aplicado. La disolución se considera como un conductor iónico que sigue la ley de Ohm.

[Bard, 1980] Para cierto volumen de disolución, la resistencia medida R correspondiente

está dada por:

AlR ρ= (1.1)

Donde ρ es la resistividad ( cm⋅Ω ) de la solución, A ( 2m ) es el área transversal a

través de la cual se produce el flujo eléctrico y l es la distancia entre los dos eléctrodos

( cm ). La conductancia electrolítica ( EG ) esta definida como la inversa de la resistencia

cuya unidad es el Siemens (S), y de la ecuación (1) obtenemos:

1E

A AGl l

χρ

= ⋅ = ⋅ (1.2)

Donde χ ( 1−⋅cmS ) es la conductividad de la disolución definida como la inversa

de la resistividad. La conductividad es una medida de la facilidad con que los portadores de

carga se mueven bajo la acción del campo eléctrico. El valor de la conductividad dependerá

del número de iones presentes.

Figura 67.- Variación de la conductividad con la concentración

Concentración

Conductividad

95

El comportamiento mostrado en la figura 1 es en general igual para todos los

electrolitos. Existe un aumento inicial de la conductividad a medida que aumenta la

concentración hasta un valor máximo, esto se debe a que existe un mayor número de iones

dispuestos para la conducción. A partir del valor máximo la conductividad empieza a

disminuir, debido a que las interacciones asociativas entre los iones dificultan la

conducción de la corriente. Debido a esto, la corriente requerida durante el proceso de

electrólisis también presentara una variación si mantenemos la diferencia de potencial

constante. [LEF, 2007]

2) Voltaje y corriente

Si a un sistema electroquímico en equilibrio se le aplica una diferencia de potencial

entre los electrodos, la sustancia se disocia. Partiendo del equilibrio, situación en que no

existen reacciones netas de oxidación o reducción, se puede aumentar la diferencia de

potencial entre ambos eléctrodos, esto generará una corriente eléctrica que circula entre

ambos eléctrodos que aumenta con la diferencia de potencial entre estos.

Figura 68.- Comportamiento de la corriente en función del voltaje

El comportamiento de la demanda de corriente en función del voltaje en un proceso

de electrólisis se observa en la figura 2, como se ve, la curva presenta un limite vertical que

se presenta cuando se presenta la máxima transferencia de masa que se puede lograr con el

electrodo utilizado. Esto significa que aunque el voltaje sea aumentado, el electrodo no es

capaz de conducir más masa y por lo tanto más corriente. [LEF, 2007]

Voltaje

Densidad de Corriente

96

Productos obtenidos

1) Peróxido de Hidrógeno H2O2

El Peróxido de Hidrógeno (conocido también como agua oxigenada) es un líquido

incoloro a temperatura ambiente con sabor amargo. Es inestable y se descompone

rápidamente a oxigeno y agua con liberación de calor. Es no inflamable y es un agente

oxidante potente que puede causar combustión espontánea cuando entra en contacto con

materia orgánica.

En la industria se utiliza para el blanqueado de telas y papel, como componente de

combustible para cohetes y para fabricar espuma de caucho y sustancias químicas

orgánicas.[ATSDR, 2007]

2) Hidrogeno

El Hidrogeno es el elemento químico más ligero, a temperatura ambiente se

encuentra como hidrogeno diatómico, un gas inflamable, incoloro e inodoro. La

combustión que se da de manera espontánea en condiciones ambientales emite una flama

azul pálido casi invisible. Es industrialmente producido por electrólisis de agua, en

procesos de reformación de hidrocarburos o la oxidación parcial de carbón o hidrocarburos.

Industrialmente se usa como materia prima para la producción de amoníaco,

metanol, agua oxigenada, polímeros y solventes. En procesos de hidrogenación de grasa

animal o aceites vegetales y en la producción de vitaminas y otros productos farmacéuticos.

También se usa en procesos de tratamiento térmico, en industria de vidrio, en soldadura y

otras aplicaciones metalúrgicas como un inerte o reductor de atmósfera, y actualmente

como fuente de energía en celdas de combustible.[ATSDR, 2007]

97

Anexo B Manual de operación del prototipo

Conexiones del prototipo

Las conexiones que hay que realizar se llevan a cabo en la parte frontal del panel de

control, donde se conecta la alimentación del seguidor solar, los módulos fotovoltaicos, las

baterías y la carga del sistema por medio de conectores banana, Figura 69. Se cuenta con

etiquetas que indican la polaridad y componente a conectar en cada conexión, en la parte

lateral se localiza la conexión al puerto USB de la computadora.

Figura 69.- Diagrama del Panel de control

Operación del panel de control

Conexiones

Interruptores de conexiones

Indicadores de Voltaje y Corriente

Encendido de los Indicadores

Ajuste del voltaje de salida

Indicadores de estado de la bateria

Indicador de producción de los módulos

Selector del tipo de batería

98

1. Colocar todos los interruptores de conexión en su posición de apagado “o”.

2. Realizar las conexiones de los componentes, de acuerdo a lo indicado

anteriormente. La computadora puede ser omitida o conectada durante el proceso.

3. Encender la conexión a las baterías, primer interruptor de encendido de izquierda a

derecha. Se encenderán los indicadores de estado de las baterías en secuencia una

vez, si esto no sucede revise la conexión de las baterías, a continuación pueden

presentar alguno de las siguientes combinaciones en los indicadores:

No. Combinación Significado 1 Batería con carga completa 2 Batería con media carga 3 Batería con poca carga y advertencia de desconexión 4 Carga no conectada por baja energía en la batería 5 Error en la selección del tipo de batería 6 Desconexión por alta temperatura

Parpadeo, encendido, apagado, parpadeo en secuencia En caso de presentarse de la combinación 1 a la 4 se puede continuar con el paso 4,

la combinación 5 se corrige seleccionando el tipo adecuado de batería utilizada con

el selector. El estado 6 indica un calentamiento en el cargador de baterías que se

podría presentar por un mal funcionamiento o sobrecarga, habrá que esperar a que

se enfrié para poder continuar.

4. Encender el interruptor de conexión de los módulos fotovoltaicos. Si los módulos

están produciendo energía se encenderá el indicador de producción de los módulos.

Al conectarlos se puede presentar el siguiente error mostrado en los indicadores de

estado de las baterías, si es así verificar que los módulos que se encuentren

conectados en paralelo.

No. Combinación Significado 7 Desconexión por alta tensión

99

5. Encender el interruptor de conexión del seguidor solar, último de izquierda a

derecha. Este paso puede ser omitido en caso de que no se quiera utilizar el seguidor

solar. También puede activarse durante el proceso.

6. Encender el interruptor de conexión de la carga. Si existe algún mal funcionamiento

en la carga se indicará de la siguiente manera:

No. Combinación Significado 8 Corto circuito en la carga o sobrecarga

7. Seleccionar el voltaje requerido en la carga. Se puede utilizar encender el indicador

de voltaje para hacerlo o la indicación en la interfaz de monitoreo en caso de que se

este utilizando.

De manera general el encendido se realiza activando los interruptor de conexión en

secuencia de izquierda a derecha. Con estos pasos se realiza el encendido del sistema,

durante el tiempo que dure el proceso no es necesario ningún ajuste más en el panel de

control. Al apagarlo se recomienda realizar la secuencia de derecha a izquierda. Si se

requiere dejar funcionando el seguidor solar es necesario dejar conectadas las baterías. Los

indicadores de voltaje y corriente se pueden encender en cualquier momento del proceso, la

energía para funcionar la adquieren de baterías individuales por lo que se recomienda

apagarlos mientras no sean utilizados.

Operación de la interfaz de monitoreo

1. Ejecución del programa. Es necesario que se encuentre conectado el módulo para

ejecutar el software si no marcara un error de funcionamiento. Una vez conectado el

panel de control con la computadora se ejecuta el programa de monitoreo,

morelitos.exe. La pantalla principal muestra el voltaje y corriente en los puntos

monitoreados sin la necesidad de accionar algún control, Figura 70.

100

Figura 70.- Pantalla principal de la interfaz de monitoreo

2. Almacenamiento de datos. Para comenzar a almacenar datos accedemos a la

pantalla de Tabla de Datos, en primer lugar seleccionamos el tiempo de muestreo de

los datos a almacenar y a continuación activamos el control de encendido, Figura

71.

Figura 71.- Pantalla de captura de datos de la interfaz de monitoreo

Botón de fin de ejecución

Fichas de las ventanas

101

La captura de los datos se puede detener y reanudar en cualquier momento

accionando el control de encendido. Cada ocasión que se detenga se solicitará un

nombre para el archivo de datos generado y los archivos de imagen de la grafica de

voltaje y corriente del proceso. Las demás pantallas de la interfaz muestran graficas

de comportamiento del sistema.

3. Fin de la ejecución. Para finalizar la ejecución del programa es necesario primero

detener la captura de datos para que se guarden los datos, posteriormente accionar el

botón de fin de ejecución en la pantalla principal. Si no se detiene antes la captura

de datos estos no se almacenan y se pierden.

103

Anexo C Costo del prototipo

Concepto Cantidad Unidad Costo unitario Total

Seguidor Solar 5,700 Estructura del seguidor 1 Lote 3,500 3,500 Tarjeta de control 1 Pza 700 700 Actuador lineal 1 Pza 1,500 1,500 Sistema de monitoreo 3,400 Tarjeta de adquisición de datos 1 Pza 2,000 2,000 Tarjeta de acondicionamiento de señales 1 Pza 700 700 Licencia de software 1 Licencia 700 700 Sistema de almacenamiento de energía Regulador de carga 1 Pza 2,500 2,500 Baterías 2 Pza 1,600 3,200 Módulos Fotovoltaicos 2 Pza 6,000 12,000 Regulador de Voltaje 1 Pza 400 400 Panel de control, cables y conexiones 1 Lote 1,000 1,000 Costo total del prototipo construido $ 22,500

105

Anexo D Dibujos técnicos del seguidor solar

En la presente sección se muestran los dibujos técnicos de las piezas que conforman

el seguidor solar y su ensamble.

106

107

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109

110

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40 Jose Beltran Adan