“Implementación de un seguidor solar fotovoltaico utilizando sensores para el aprovechamiento de la máxima radiación solar”Tesis

que para obtener el título de:

Ingeniero en Mecatrónica

Presenta

Antonio López Castro

Cd. Obregón, Sonora, México; Enero de 2014

Dedicatorias

A Dios:

Por permitirme vivir esta etapa de mi vida y regalarme todo lo que poseo hasta

este día, gracias por cada instante que me regalas.

A mis padres:

Por su incondicional apoyo durante todo este tiempo, por estar conmigo en las

buenas y en las malas, sin importar la situación, por felicitarme en mis triunfos y

levantarme en mis caídas y por brindarme su amor desde el momento en que

nací, esta etapa se la debo a ustedes, jamás terminaré de agradecerles lo que me

han dado.

A mis abuelos:

Por su gran sacrificio y apoyo, poniendo por sobre todo mi estabilidad sin

importarles la de ustedes.

A mis tíos:

Por ser mis segundos padres y aconsejarme y guiarme por el buen camino, este

triunfo también se lo debo a ustedes.

A mis hermanas:

Por estar conmigo y jamás dejarme caer y sobre todo por alegrarme cuando me

sentía derrotado.

iii

Agradecimientos

A mi asesor Dr. José Antonio Beristain Jiménez:

Por brindarme su tiempo y tenerme paciencia durante el desarrollo de este

proyecto y durante toda mi carrera, por aclarar mis dudas y hacerme ver las cosas

de una forma fácil siempre poniendo por delante la ética y el conocimiento.

A mis revisores Dr. Javier Pérez Y Dr. Rafael Figueroa:

Por sus puntos de vista e imparcialidad durante el desarrollo del proyecto, siempre

buscando sacar adelante la meta y brindándome parte de su tiempo para lograr mi

objetivo.

A mis maestros:

A todos ellos por haber colaborado en mi formación académica.

A Instituto Tecnológico De Sonora:

Por abrirme sus puertas y permitirme desarrollarme como persona y adquirir los

conocimientos necesarios para ejercer como ingeniero.

Contenido

Dedicatorias.............................................................................................................. ii

Agradecimientos...................................................................................................... iii

Lista de tablas.........................................................................................................vii

Lista de figuras.......................................................................................................viii

Resumen.................................................................................................................xii

1. Introducción

1.1 Antecedentes.....................................................................................................1

1.2 Planteamiento del problema...............................................................................5

1.3 Justificación........................................................................................................6

1.4 Objetivo..............................................................................................................7

1.5 Delimitaciones....................................................................................................8

2. Fundamentación teórica

2.1 Energía...............................................................................................................9

2.1.1 Tipos de energía....................................................................................10

2.1.2 Energía solar, naturaleza y captación....................................................11

2.2 Energía fotovoltaica..........................................................................................17

2.2.1 Celda fotovoltaica...................................................................................17

2.2.2 Panel fotovoltaico...................................................................................22

2.2.3 Arreglo fotovoltaico................................................................................25

2.3 Clasificación de sistemas fotovoltaicos............................................................26

2.3.1 Sistema autónomo.................................................................................26

2.3.2 Sistema con conexión a la red...............................................................27

v

2.3.3 Sistema fotovoltaico fijo..........................................................................29

2.3.4 Sistema fotovoltaico con seguimiento....................................................29

3. Desarrollo

3.1Metodologia.......................................................................................................43

3.2 Herramientas y materiales...............................................................................46

3.3 Radiación solar captada por el panel fotovoltaico............................................47

3.4 Etapa de sensado............................................................................................52

3.4.1 Adecuación mecánica del sensor...........................................................52

3.4.2 Circuito...................................................................................................55

3.5 Control..............................................................................................................60

3.6 Motor................................................................................................................65

3.7 Etapa de potencia............................................................................................66

3.8 Control de carga de la batería..........................................................................71

3.9 Sistema mecánico y de soporte.......................................................................73

3.9.1 Soporte...................................................................................................74

3.9.2 Torque Necesario...................................................................................78

3.9.3 Transmisión de engranaje......................................................................79

3.9.4 Posicionamiento manual del eje horizontal............................................83

3.9.4 Estabilidad..............................................................................................86

3.9.5 Estudio de fuerzas en SolidWorks®.......................................................89

4. Pruebas y resultados

4.1 Prototipo experimental.....................................................................................92

4.2 Pruebas............................................................................................................97

4.2.1 Sistema fijo.............................................................................................97

4.2.2 Sistema con seguimiento solar............................................................102

vi

4.3 Análisis de resultados....................................................................................117

4.3.1 Recuperación de la inversión......................................................................119

4.3.1.1 Costos...............................................................................................119

4.3.1.2 Energía generada.............................................................................120

Apéndice A...........................................................................................................131

Código de seguidor solar..............................................................................131

Apéndice B...........................................................................................................133

Código de cargador de batería......................................................................133

Apéndice C...........................................................................................................135

Análisis de eje horizontal..............................................................................135

Apéndice D...........................................................................................................139

Análisis de torres de soporte.........................................................................139

Apéndice E...........................................................................................................143

Propuesta de prototipo estable.....................................................................143

Lista de tablas

Tabla 1. Energía entregada por el panel con seguimiento solar............................48

Tabla 2. Energía entregada con promedio de ángulo de azimut............................51

Tabla 3. Valores de voltaje en sensado.................................................................57

Tabla 4. Secuencias de la etapa de potencia.........................................................69

Tabla 5. Mediciones con panel fijo en día soleado.................................................98

Tabla 6. Mediciones con panel fijo en día nublado y variado.................................99

Tabla 7. Mediciones con sistema de seguimiento en día soleado.......................103

Tabla 8. Mediciones con sistema de seguimiento en día nublado y variado........104

Tabla 9. Parámetros con inversor sin carga.........................................................110

Tabla 10. Parámetros tomados con un foco de 25 W..........................................110

Tabla 11. Parámetros con laptop conectada........................................................112

Tabla 12. Parámetros con abanico conectado a inversor....................................114

Tabla 13. Ángulo de error y corrientes con y sin error.........................................115

Tabla 14. Costos del prototipo.............................................................................117

Tabla 15. Energía generada con sistema de seguimiento...................................118

Tabla 16. Energía generada por el sistema fijo....................................................119

Tabla 17. Características de la pieza...................................................................134

Tabla 18. Propiedades del material......................................................................135

Tabla 19. Cargas y sujeciones.............................................................................136

Tabla 20. Resultados del estudio.........................................................................137

Tabla 21. Características de la pieza...................................................................138

Tabla 22. Propiedades del material......................................................................139

Tabla 23. Cargas y sujeciones.............................................................................140

Tabla 24. Resultados del estudio.........................................................................141

Lista de figurasFigura 1. Componentes de la radiación, (Galindo, 1998).......................................13

Figura 2. Posición de la tierra con respecto al sol, (Cóndor, 2010)........................14

Figura 3. Irradiación y horas solares pico, (Cóndor, 2010)....................................14

Figura 4. Movimiento solar en función del día y el año, (Montiel, 2003)................16

Figura 5. Funcionamiento de celda fotovoltaica (Humberto, 2011)........................18

Figura 6. Curva PV e IV (Solar, 2007)....................................................................19

Figura 7. Efecto de la radiación sobre celda fotovoltaica, (Solar, 2007)................21

Figura 8. Efecto de la temperatura sobre una celda fotovoltaica, (Solar, 2007).....21

Figura 9. Angulo optimo para verano e invierno (Montiel, 2003)............................23

Figura 10. Coordenadas solares terrestres, (Cóndor, 2010)..................................25

Figura 11. Arreglo de paneles fotovoltaicos, (López, 2005)...................................26

Figura 12. Sistema fotovoltaico autónomo, (Cóndor, 2010)...................................27

Figura 13. Sistema fotovoltaico con conexión a red (Cóndor, 2010)......................28

Figura 14. Seguidor solar acimutal, (Cóndor, 2010)...............................................31

Figura 15. Rodamiento, (Norton, 1993)..................................................................32

Figura 16. Engrane cilíndrico de dientes rectos.( Deutschman, 1985)...................33

Figura 17. Transmisión cadena Catarina (Norton,1999)........................................36

Figura 18. Motor de Corriente Directa....................................................................42

Figura 19. Diagrama de metodología.....................................................................45

Figura 20. Irradiación en Cd. Obregón, Sonora.....................................................48

Figura 21. Energía entregada durante el año por un sistema móvil.......................49

Figura 22. Irradiación a 180° azimut......................................................................50

Figura 23. Horas sol a 180° azimut........................................................................51

Figura 24. Energía entregada por el sistema fijo a lo largo del año.......................52

Figura 25. Creación de sombra sobre uno de los sensores mediante la barrera...53

Figura 26. Dimensiones de adecuación mecánica para sensor.............................54

Figura 27. Angulo de reacción al cambio de posición............................................54

Figura 28. Puente de Wheatstone (Rodríguez, 1999)............................................56

ix

Figura 29. Simulación de LDR con luz casi nula....................................................57

Figura 30. LDR a plena luz del día.........................................................................58

Figura 31. LDR con mayor incidencia de luz del lado derecho..............................58

Figura 32. LDR con mayor incidencia de luz del lado izquierdo.............................59

Figura 33. Simulación de LDR con diferente resistencia inferior............................59

Figura 34. Motor detenido......................................................................................62

Figura 35. Motor girando a la derecha...................................................................63

Figura 36. Motor girando a la izquierda..................................................................63

Figura 37. Diagrama de flujo de control.................................................................64

Figura 38. Mecanismo interno de Wiper.................................................................65

Figura 39. Características de motor de corriente directa usado.............................66

Figura 40. Paso de la señal del microcontrolador al relevador..............................67

Figura 41. Motor detenido por igualdad de luz en sensores..................................70

Figura 42. Motor Girando a derecha por diferencia de señales.............................70

Figura 43. Motor girando a izquierda por diferencia de señales............................71

Figura 44. Panel conectado a tierra.......................................................................72

Figura 45. Panel conectado a la batería.................................................................73

Figura 46. Soporte de estructura mecánica...........................................................74

Figura 47. Soporte para transmisión......................................................................75

Figura 48. Eje horizontal con rodamientos.............................................................76

Figura 49. Acoplamiento del eje con el panel.........................................................76

Figura 50. Estructura de seguidor solar.................................................................77

Figura 51. Medición de torque necesario...............................................................78

Figura 52. Vista superior de transmisión de engranes...........................................82

Figura 53. Vista isométrica del transmisión de engranes.......................................82

Figura 54. Lateral de transmisión de engranes......................................................83

Figura 55. Mecanismo de posicionamiento para eje horizontal (Frontal)...............85

Figura 56. Mecanismo de posicionamiento para eje horizontal (Isométrica)..........86

Figura 57. Origen del Sistema................................................................................87

Figura 58. Centro de masa del sistema..................................................................87

Figura 59. Centro de masa, vista angular..............................................................88

x

Figura 60. Centro de masa, vista lateral.................................................................88

Figura 61. Centro de masa, vista trasera...............................................................89

Figura 62. Deformación del eje horizontal..............................................................90

Figura 63. Deformación de las torres de soporte...................................................90

Figura 64. Soporte del seguidor solar....................................................................93

Figura 65. Posicionamiento para eje horizontal.....................................................94

Figura 66. Montaje de motor con piñón..................................................................94

Figura 67. Transmisión...........................................................................................95

Figura 68. Prototipo de seguidor solar...................................................................96

Figura 69. Panel inclinado a 42° hacia el sur.........................................................97

Figura 70. Voltajes de circuito abierto con panel fijo............................................100

Figura 71. Corrientes de corto circuito con panel fijo...........................................100

Figura 72. Voltajes de batería con panel fijo........................................................101

Figura 73. Voltajes de circuito abierto con sistema de seguimiento.....................105

Figura 74. Corrientes de corto circuito con sistema de seguimiento....................105

Figura 75. Voltajes de batería con sistema de seguimiento.................................106

Figura 76. Corriente consumida por el sistema de seguimiento..........................107

Figura 77. Conexión de inversor..........................................................................109

Figura 78. Seguidor conectado a inversor y foco.................................................111

Figura 79. Carga conectada.................................................................................111

Figura 80. Laptop conectada al inversor..............................................................112

Figura 81. Seguidor solar con carga conectada (Laptop)....................................113

Figura 82. Abanico conectado al inversor............................................................114

Figura 83. ISC fijo contra ISC con seguimiento....................................................121

Figura 84. Obtención y consumo de energía.......................................................122

Figura 85. Análisis de eje horizontal en SolidWorks............................................134

Figura 86. Zona critica de la pieza.......................................................................136

Figura 87. Pieza deformada.................................................................................137

Figura 88. Análisis de torres de soporte en SolidWorks.......................................138

Figura 89. Zona critica de la pieza.......................................................................140

Figura 90. Pieza deformada.................................................................................141

xi

Figura 91. Sistema de referencia.........................................................................142

Figura 92. Nuevo centro de masa........................................................................143

Figura 93. Vista lateral del nuevo centro de masa...............................................144

Figura 94. Vista trasera de nuevo centro de masa...............................................145

Resumen

El propósito principal de este proyecto de tesis, es el de difundir el

aprovechamiento más eficiente de la energía primaria proveniente del sol y

convertirla en energía eléctrica. Sin lugar a dudas, es una forma limpia y fiable

para la producción de energía eléctrica que ha tomado mucho interés en la

actualidad debido a dos aspectos: a) abastecer de energía a los usuarios de

lugares alejados, y b) el cuidado del medio ambiente. El primero se sustenta en

que acceder a sitios lejanos resulta muy difícil, debido a que la geografía del lugar

no brinda las facilidades, y por otra; resulta muy costoso tender varios km. de

redes eléctricas para pocos usuarios. Es un diagnóstico que merece ser evaluado,

especialmente en vista del 1'150,000 (Un millón ciento cincuenta mil) mexicanos

que no disponen de energía eléctrica, ni alguna alternativa (Méndez, 2008). El

cuidado del medio ambiente es muy importante por los efectos que causa utilizar

sistemas de generación eléctrica dañinos para este, tales como la generación a

partir de combustibles fósiles o a partir de energía nuclear solo por mencionar

algunos ejemplos. El proyecto de tesis tiene la particularidad que será un sistema

de funcionamiento autónomo; al hablar de autonomía se está diciendo que el

propio sistema fotovoltaico debe autoalimentar a los elementos de movimiento y

control que intervienen en el mismo, sin estar conectado a otra fuente de energía

ya sea a la red eléctrica o a algún otro generador con el que pueda abastecerse

solo se contará con la energía generada por el panel fotovoltaico para alimentar el

sistema de seguimiento y las cargas que se le coloquen.

Los resultados a obtener son la construcción del prototipo físicamente y que

cumpla con los requerimientos necesarios, además de obtener los datos de la

comparación entre un sistema fotovoltaico fijo contra uno de seguimiento, también

se buscara el comportamiento del sistema conectando un inversor y colocando

variedad de cargas y observar cómo se distribuyen las corrientes tanto en el

inversor como en el sistema de seguimiento; también se buscara el analizar

xiii

mediante pruebas de esfuerzo las partes claves del sistema como lo son el eje

horizontal y las torres de soporte, y por último se realizara un análisis para conocer

el tiempo de recuperación de la inversión y así tener en claro si el prototipo es

factible o no lo es. El presente proyecto de estudio está compuesto de cuatro

capítulos, en los cuales se tratan los siguientes temas: en el capítulo 1 se hablará

a detalle sobre los antecedentes que percuten en el desarrollo del sistema desde

los inicios de las energías renovables y cómo éstas cambiaron las vidas de las

personas, así como también se detallará el objetivo, la justificación y la

delimitación del proyecto. En el capítulo 2, se habla sobre los conceptos y

fundamentos teóricos de la energía, las fuentes de energía renovables y no

renovables con sus diferencias, captación y obtención de energía solar-eléctrica,

los elementos que intervienen en un sistema fotovoltaico, y se finaliza analizando

el sistema a construirse, los elementos principales y fundamento de un seguidor

de luz solar. El capítulo 3 trata sobre el método a seguir para llegar a la meta fijada

dentro del objetivo, se dará a conocer el sujeto de investigación y también se

detallará los materiales y herramientas a usar en el proyecto y se mostrará un

diagrama de flujo para las etapas del proyecto definiendo cada una de ellas. En

este mismo capítulo se darán a conocer los pasos para lograr el diseño del

seguidor solar, se detallará el control desde los sensores hasta el control por

microcontroladores y los cálculos mecánicos, mostrando simulaciones. En el

capítulo 4 se mostrarán los resultados obtenidos tanto en la parte física es decir el

prototipo construido y las pruebas de seguimiento mostrando los resultados en

tablas y gráficas; también se dará un análisis de resultados partiendo de lo

obtenido en capítulo anterior y por último se concluirá sobre la meta que se

alcanzó con el desarrollo del proyecto así mismo se darán recomendaciones

futuras.

Capítulo 1Introducción

1.1 Antecedentes

El déficit energético es un tema de interés general que afecta a cualquier persona

en el planeta y que ha traspasado barreras económicas, sociales y ecológicas.

Muchas naciones buscan nuevas fuentes de energía, o bien intentan mejorar el

rendimiento de sus fuentes actuales, a través de la eficiencia. En cualquier punto

del mundo civilizado, se puede observar que estamos inmersos en un sistema de

vida-desarrollo propiciado básicamente por el petróleo y sus derivados

(WESTERMEYER, 2008).

El papel que juegan los hidrocarburos en la actualidad dentro de la sociedad es

crucial ya que no sólo se depende de los productos que son generados de sus

derivados sino que también éstos forman un papel de gran importancia dentro de

2

las etapas que conforman un proceso productivo, es decir, es la fuerza productiva

que hace que la sociedad se mantenga día con día.

El problema actual de la crisis energética está mal fundamentado ya que el

llamarla con ese nombre englobaría todos los tipos de energía existentes pero el

problema se ostenta solamente en el petróleo y se deriva de dos razones, la

contaminación que este produce y la escases que se presenta actualmente, o

planteándolo de otra perspectiva, el modelo de desarrollo socio-económico que

fue basado en un recurso finito. El motivo del problema es el agotamiento del

petróleo barato y de buena calidad de los grandes pozos, siendo cada vez más

difícil y costoso extraerlo. Expertos afirman que en los próximos 10 años

llegaremos al punto máximo de la producción petrolera, es decir a partir de ese

punto esta decaerá drásticamente (WESTERMEYER, 2008).

Ante esta crisis energética los gobiernos a nivel mundial han optado por invertir en

el descubrimiento de nuevas tecnologías para obtener energía eléctrica y

simplemente para que en un futuro se pueda tener una opción para afrontar la

extinción de los combustibles fósiles; como resultado de la investigación en los

últimos años se han explotado recursos naturales no contaminantes, e

inagotables; tal como lo son la energía eólica, solar, hidráulica, por mencionar

algunas (Díaz, 2008).

Delimitándonos al enfoque de la energía solar es impresionante el impacto que

está tiene para generar electricidad y dicha potencia se podría reflejar con una

cifra: si se quisiera generar con paneles fotovoltaicos la energía eléctrica que la

humanidad consumió en el año 2001 (16 billones de kWh), se necesitaría una

superficie de 160.000 km2 (suponiendo un promedio de generación solar de 100

kWh/m2.año), que comparada con la superficie terrestre de nuestro planeta, 132

millones de km2, representa un 0,12% de ella (Méndez, 2008).

El sol irradia sobre el planeta tierra con una intensidad de 100,000 TWh por hora,

esto dependiendo de las condiciones climatológicas, para el aprovechamiento de

3

esta energía se emplean básicamente dos métodos uno es el calentamiento de

fluidos y el segundo es la conversión fotovoltaica (Valenciaga, 2001);

El mercado fotovoltaico ha crecido a grandes pasos en la última década ya que

alcanza una tasa anual de crecimiento de 50%. Para darse una idea de cómo los

paneles fotovoltaicos han elevado su venta se debe hacer referencia a las últimas

dos décadas, es importante mencionar que en 1984, las ventas mundiales sólo

alcanzaron los 25 MW, mientras que en el año 2007 se reportaron ventas del

orden de los 2,700 MW, lo que representa un crecimiento de dos órdenes de

magnitud (Díaz, 2008) . Según datos estadísticos, Japón es el mayor fabricante de

paneles fotovoltaicos en el mundo, le sigue Alemania, con aproximadamente 5

millones de metros cuadrados de paneles solares, aunque sólo representan el

0,03% de su producción energética total. En la Unión Europea el crecimiento

medio anual es del 30% (Gurevich, 2013).

Los paneles fotovoltaicos son de diversos materiales y dependiendo de estos

materiales es su grado de eficiencia, de aquí surge la llamada sustentabilidad

energética ya que el tiempo de retorno de la inversión para un panel de silicio el

cual es el más común de los paneles manufacturados es de alrededor de 1.4 años

para zonas cercanas al cinturón solar y de 2.7 años para regiones menos

soleadas (Humberto, 2011); Los sistemas fotovoltaicos constituyen una de las

tecnologías de generación eléctrica más limpias; contribuyendo a un mejor medio

ambiente ya que por cada kW instalado de capacidad fotovoltaica se evita la

emisión anual de una tonelada de CO2 (Humberto, 2011) pero durante la

producción de las placas solares, además del silicio, se están usando metales

pesados como el plomo (para las soldaduras) y pequeñas cantidades de cadmio

además de otros componentes químicos altamente tóxicos para la salud y la

atmósfera.

Existe una gran área de oportunidad dentro de la generación de energía eléctrica

por medio de paneles fotovoltaicos; ya que no solo es pensar en cómo generarla si

no que también interviene el factor de calidad y como lograr que el sistema

4

fotovoltaico entregue la mayor eficiencia posible; para ello es necesario diseñar

técnicas de solución para buscar los factores propicios para que el

comportamiento adecuado del sistema; hay mucho por investigar, por descubrir y

por mejorar en el ámbito de energía solar debido a la reciente explotación de este

recurso natural.

5

1.2 Planteamiento del problema

El aprovechamiento de un recurso tan vital como lo es el sol es de gran

importancia y por consecuente es necesario utilizar todos los medios al alcance

para lograrlo; es por eso que se necesita diseñar un sistema que permita

aprovechar máxima radiación solar para así tener un abastecimiento estable de

energía sin importar el posicionamiento solar o las condiciones climatológicas.

Contemplando el escenario se debe analizar; ¿Es necesario un sistema de

seguimiento fijo o un sistema móvil para aprovechar la máxima radiación solar?

6

1.3 Justificación

La investigación se llevará a cabo ya que es de gran importancia el profundizar en

un tema tan relevante como lo es la energía autosustentable tanto desde el punto

de vista económico como el ambientalista, explorando nuevas alternativas

energéticas tendremos mayor número de posibilidades al afrontar las necesidades

y los requerimientos que tiene la población de consumo de energía, tomando un

punto de vista positivo es un camino sumamente viable ya que el sol como recurso

natural no cuesta, no contamina y a largo plazo es inagotable; pero por otro lado

industria de la energía solar fotovoltaica emite grandes cantidades de NF3

(trifluoruro de nitrógeno) que puede ser un problema medioambiental grave, ya

que el efecto invernadero de las emisiones de NF3 es 17,000 veces mayor que las

de CO2.. Los beneficios adquiridos por esta investigación serán considerables ya

que hoy en día las instalaciones fotovoltaicas existentes son en un 95% fijas, por

lo cual es necesario el conocer los beneficios y amenazas de tener un sistema de

esta naturaleza; habrá beneficios económicos ya que al tener un sistema

fotovoltaico eficiente y que aproveche la radiación solar en un alto porcentaje

tomando en cuenta la baja eficiencia de un panel, por consiguiente este otorgará

más potencia y cubrirá más necesidades siendo capaz de abastecer mayor

número de cargas. Los beneficiados con la investigación serán las familias que no

cuentan con un abastecimiento de energía eléctrica por medio de la red al vivir en

lugares aislados, así como las personas que ya cuentan con un sistema

fotovoltaico fijo y al descubrir la realidad sobre cual sistema ya sea fijo o móvil

conviene más tomarán la decisión a su conveniencia, además de que la institución

se beneficiará al tener dentro de su acervo educativo una investigación que de

solución al problema planteado. De entrada la energía solar fotovoltaica fue

revolucionaria al tener la capacidad de complementar a la energía producida por

combustibles fósiles y al estar en competencia con la energía eólica e hidráulica;

ahora lo que se pretende hacer es revolucionar la energía solar dentro de su

mismo ámbito al cambiar la mentalidad de usar un sistema fijo y explotar al

máximo los recursos que se tienen a la mano.

7

1.4 Objetivo

Diseñar un sistema seguidor fotovoltaico por medio de sensores para optimizar el

rendimiento y aprovechar la máxima potencia entregada por los paneles. Dicho

diseño consta de etapas que deben de planearse y ser lo totalmente concretas

para que unidas éstas el diseño cumpla con los requerimientos solicitados; cada

una de estas etapas tiene su propio objetivo:

-Construir una estructura que tenga la capacidad de soportar el peso del panel y

que al mismo tiempo sea lo suficiente liviana para que el movimiento del eje sobre

el cual el panel estará posado sea libre y sin impedimentos, esto para que el motor

no se esfuerce demasiado. Dicha estructura deberá incluir la transmisión la cual

deberá aumentar el torque proporcionado por el motor para hacer girar el panel

fotovoltaico.

-Diseñar un sistema de control por medio de un micro controlador que admita

como entrada la señal del sensor y procese los datos para entregar a la salida una

señal capaz de controlar el motor y proporcionar los grados de giro necesarios

para que el panel solar siga la radiación solar.

-Analizar y comparar un sistema fijo con uno móvil de seguimiento para llegar a

una conclusión de cuál es más conveniente así como también hacer un

seguimiento de punto de máxima potencia del panel solar.

8

1.5 Delimitaciones

El proyecto se delimita a un sistema de seguimiento de un eje vertical controlado,

mientras que el otro eje será de posicionamiento manual con dos posiciones a

elegir una para verano y otra para invierno; el control se podría realizar mediante

compuertas lógicas o transistores, pero se decidió usar micro controladores por la

facilidad de modificar las instrucciones y para simplificar el circuito; el proyecto es

solo para un prototipo y cabe mencionar que solo se construirá la parte de soporte

y transmisión dejando de lado el diseño solo buscando que cumpla los objetivos

de la estructura.

Capítulo 2Fundamentación teórica

2.1 Energía

La energía es la capacidad de los cuerpos o conjunto de éstos para efectuar un

trabajo. Todo cuerpo material que pasa de un estado a otro origina fenómenos

físicos que representan manifestaciones de alguna transformación de la

energía. .Una ley fundamental enuncia que “la energía no se crea ni se destruye,

únicamente se transforma”, (Cóndor, 2010).

Además se dice que un cuerpo puede tener energía por su cambio de posición,

condición, o cambio molecular. De la energía utilizada en un trabajo, se pierde

siempre un cierto porcentaje de su capacidad en la transformación, es decir; el

rendimiento no es total.

10

2.1.1 Tipos de energía

La energía según el estado o movimiento en el cual se encuentre puede ser

energía potencial la cual se refiere a la energía que contienen aquellos objetos

que se encuentran en reposo o energía cinética que es originada por los cuerpos

que se encuentran en movimiento, o alguna de sus partes constituyentes.

Otra forma de clasificar los tipos de energía es según la fuente que la origina es

decir, si esta es o no renovable; las energías no renovables provienen de fuentes

que se encuentran de manera limitada en la naturaleza y, una vez que son

utilizadas, no se las puede renovar. Además de esto, son grandes causantes de

contaminación ambiental. Entre ellas encontramos el petróleo que se encuentra en

depósitos de rocas sedimentarias marinas y es líquido, más ligero que el agua y

de color oscuro, está compuesto por metales, azufre, nitrógeno, oxígeno e

hidrocarburos, el petróleo es la principal fuente de energía a nivel mundial, el

problema que presenta este recurso es las grandes cantidades de dióxido de

carbono y azufre que libera en la atmósfera; además de esto, sus reservas se

agotan velozmente. Otro tipo de energía no renovable es el carbón que es un

combustible fósil, de origen vegetal que posee un elevado poder calórico y

abundante carbono. En las centrales térmicas es el principal combustible que se

utiliza para la producción de electricidad; el gas natural que se le haya entre los

sedimentos y deviene de la fermentación de la materia orgánica. Los elementos

que lo componen son: metano, propano, butano, hidrógeno y otra serie de gases.

Su poder calórico supera a las otras dos fuentes, por lo que se le utiliza en

calefacciones y cocinas así como también en la producción de electricidad.

La energía renovable es aquella que se obtiene de fuentes naturales que son

ilimitadas ya sea porque una vez utilizadas se las puede regenerar para volver a

utilizar o bien, por la enorme cantidad de energía que poseen; un tipo de esta

energía es la energía eólica esta se obtiene de la fuerza del viento, que se

adquiere por medio de la energía cinética que se genera a partir de las corrientes

del aire. Esta energía es posible de obtener gracias a la existencia de las masas

11

de aire que viajan desde áreas cuyas presión atmosférica es elevada hacia otras

adyacentes de presión baja. Así mismo la energía hidráulica es aquella que se

puede obtener a partir de la acumulación en saltos de agua. Para hacer uso de

esta energía, las centrales hidráulicas instalan turbinas que aprovechan la energía

fluvial y se conectan a un generador eléctrico. Otro tipo de energía renovable es la

biomasa que proviene de la energía generada por el sol. La formación de este tipo

de energía se realiza por medio del proceso de fotosíntesis que realizan las

plantas. Otro tipo de energía es la solar es la proveniente del sol y se puede

transformar en energía eléctrica por medio de colectores solares parabólicos.

También se la puede transformar en energía térmica, aunque para ambos

procesos se requieren distintas tecnologías. Y por último la energía geotérmica

que se obtiene de aquellas zonas de la tierra en que las aguas subterráneas se

encuentran a temperatura de ebullición; éstas se aprovechan a través de turbinas,

(Azcárraga, 2003).

2.1.2 Energía solar, naturaleza y captación

2.1.2.1 Recurso solar

Las numerosas reacciones nucleares que existen en el interior del sol, hace que

se prevea que se tenga energía solar para varios miles de años más. Una gran

parte de esta energía llega a la tierra en forma de radiación electromagnética

comprendida en un gran espectro de frecuencia llamada comúnmente energía

solar, la cual está formada básicamente por “luz” y “calor”.

Según estudios realizados la cantidad de energía solar que se recibe

aproximadamente es de 1,1 x 1020 kWh cada segundo. La atmósfera exterior

intercepta casi la mitad de una billonésima parte de la energía generada por el sol,

o aproximadamente 1.5 trillones (1.5 x 1017) de kWh al año (Valera, 2001). Debido

a la reflexión, dispersión y absorción producida por los gases de la atmósfera, sólo

un 47% de esta energía, o aproximadamente 0.7 trillones de kWh, alcanzan la

superficie de la tierra, (Valera, 2001).

12

2.1.2.2 Constante solar

La combinación de tres factores: la distancia tierra-sol, el diámetro solar y la

temperatura del sol determinan el flujo luminoso; el recurso solar está mucho más

ligado en la superficie terrestre a las variaciones meteorológicas que a las solares.

La radiación emitida por el sol, junto con sus condiciones geométricas respecto de

la tierra dan por resultado que sobre la atmosfera terrestre incide una cantidad de

radiación solar casi constante; ha esta constante se le conoce como constante

solar; dicha constante es el flujo de energía proveniente del sol, que incide sobre

una superficie perpendicular a la dirección de propagación de la radiación solar,

ubicada a la distancia media de la tierra al sol, fuera de toda atmosfera, (Díaz,

2008).

Este flujo luminoso de energía, tiene unidades de energía por unidad de área y por

unidad de tiempo. Ejemplo: J/s·m2 equivalente a W/m2. Para efectos de cálculo se

tiene que la distancia tierra-sol es “relativamente” fija, y se toma el valor promedio

de la constante solar (Gsc) igual a 1353 W/m2.

En otras unidades:

Gsc= 1353 W/m2 = 1940 cal/cm2 = 428 Btu/ ft2 h = 4871KJ/m2 h

2.1.2.3 Radiación solar

Se conoce como radiación directa, la que se recibe directamente del sol, sin sufrir

ninguna dispersión atmosférica. La radiación extraterrestre es, por tanto, radiación

directa. Generalmente se usa el subíndice "b" para indicar radiación directa, por el

término que se utiliza en inglés: beam (haz, rayo), (Rivera, 2002).

La radiación difusa es la que se recibe del Sol, después de ser desviada por

dispersión atmosférica. Es radiación difusa la que se recibe a través de las nubes,

así como la que proviene del cielo azul. De no haber radiación difusa, el cielo se

vería negro, aun de día, como sucede por ejemplo en la luna. Suele utilizarse el

13

subíndice "d" para la radiación difusa. Por otro lado, se conoce como radiación

terrestre la que proviene de objetos terrestres, por ejemplo, la que refleja una

pared blanca, un charco o un lago, etc.

Se conoce como radiación total, la suma de las radiaciones directa, difusa y

terrestre que se reciben sobre una superficie. Por ejemplo, sobre una pared o una

ventana, incide la radiación directa del sol, la difundida por las nubes y por el cielo

y, además, puede entrar la luz reflejada por algún otro objeto frente a la pared o

ventana. Un caso particular, pero de mucho interés práctico en el estudio de la

energía solar, es el medir la radiación total sobre una superficie horizontal "viendo"

hacia arriba. En este caso puede considerarse que no existe radiación terrestre y

se conoce también como radiación global. Por tanto, la radiación global es la suma

de la directa más la difusa.

Para expresar la potencia solar -y en general, de cualquier radiación- se utiliza el

término irradiación. La irradiación, W/m2, es la rapidez de incidencia de energía

radiante sobre una superficie, por unidad de área figura 1, (Galindo, 1998).

Figura 1. Componentes de la radiación, (Galindo, 1998).

14

La excentricidad de la órbita hace que se tengan dos posiciones esenciales

cuando la tierra recorre su órbita alrededor del sol, como se muestra en la figura 2.

-Alrededor del 3 de enero, la tierra se encuentra en el perihelio; ésta es la

distancia mínima con respecto al sol, y se tiene una radiación máxima.

- Alrededor del 4 de julio, seis meses después, la tierra se encuentra en el afelio, y

la distancia con respecto al Sol es máxima; aquí la radiación es mínima, (Cóndor,

2010).

Figura 2. Posición de la tierra con respecto al sol, (Cóndor, 2010).

Figura 3. Irradiación y horas solares pico, (Cóndor, 2010).

La irradiación va aumentando gradualmente de acuerdo a como aumenta la hora

del día desde que sale el sol hasta que se oculta llegando a su punto máximo en

medio día formando una especie de campana, figura 3 (Cóndor, 2010).

15

Los tipos de radiación solar son:

-Radiación solar ultravioleta.- Representa un 9% de la energía solar total que

llega a la Tierra, y que para fines prácticos se subdivide en tres tipos: UVA que

son los que representan el 90% de los rayos del sol y son los responsables del

bronceado directo e inmediato, los UVB que representan el 10% de la radiación

ultravioleta y se presentan en las horas del medio día y los rayos UVC que son los

de longitud de onda más corta y también los más peligrosos solo que no llegan a

traspasar la capa de ozono estratosférica.

-Radiación solar visible.- Espectro visible o luz visible, representa el 40% de la

energía solar total que llega a la Tierra, su ventana espectral está limitada entre

los 0.400 y 0.770 μm.

-Radiación solar infrarroja.- Infrarrojo cercano, aproximadamente aporta un 51%

de la energía solar que llega a la Tierra, (Cóndor, 2010).

2.1.2.4 Trayectoria solar

Como es bien sabido, la tierra se traslada en torno al sol con su órbita inclinada,

esto hace que los sitios por donde sale y mete el sol, no siempre sean justo el este

y el oeste, sino lugares cercanos a esos puntos del horizonte. Sólo en los días

cercanos al equinoxio el sol sale por el este y se pone por el oeste.

A lo largo del día el sol tiene un movimiento de oriente a poniente. Y a lo largo del

año su trayectoria cambia, ya sea un poco hacia el norte o hacia el sur.

En el hemisferio norte en verano el sol sale al norte del este y en invierno al sur.

Cabe notar que en el hemisferio sur sucede lo contrario, en verano el sol sale al

sur del este y en invierno al norte del este. Lo mismo sucede en el poniente. Es

decir, que el movimiento del sol durante el día es distinto en diferentes épocas del

año. En el hemisferio norte en verano su trayectoria está hacia el norte y en

invierno se desplaza hacia el sur, respecto del este y el oeste. En el hemisferio sur

en verano su trayectoria está hacia el sur y en invierno se desplaza hacia el norte,

respecto del este y el oeste, figura 4. La trayectoria del sol a lo largo del año no

16

siempre es la misma en cualquier lugar del mundo. Si no que depende de la latitud

donde se encuentre el observador. Es decir, la inclinación del trayecto del sol

cambiará de acuerdo la latitud y esta variara a lo largo del día y a lo largo del año,

(Montiel, 2003).

Figura 4. Movimiento solar en función del día y el año, (Montiel, 2003).

2.1.2.5 Captación solar

El sol es una fuente limpia e inagotable para el hombre. Se puede aprovechar en

toda la superficie terrestre en mayor o menor grado. Su abundancia y

disponibilidad la hacen óptima para múltiples usos, por lo que de forma directa o

indirecta, de forma natural o artificial, es una constante en la estructura agrícola,

urbana, industrial, etc. Conviene diferenciar las distintas formas de captación solar

que se consideran dentro del concepto de energías renovables.

Entre los posibles aprovechamientos de la energía solar directa se pueden

destacar los usos térmicos y entre los más comúnmente utilizados la energía solar

pasiva que es una forma de aprovechamiento que capta la energía solar, la

almacena y distribuye de forma natural sin mediación de elementos mecánicos; y

la energía solar térmica activa a baja temperatura en los que si hay un elemento

mecánico que ayuda a captar la energía solar térmica. Por otro lado, de la

captación de energía solar directa se puede obtener la producción de energía

eléctrica a través de la captación fotónica, que luego de ser captada en paneles

17

fotovoltaicos se convierte en energía eléctrica, que es el tema de estudio en este

trabajo, (Humberto, 2011).

2.2 Energía fotovoltaica

La obtención directa de electricidad a partir de la luz se conoce con el nombre de

efecto fotovoltaico. La existencia de este fenómeno fue puesta de manifiesto por el

físico Antoine Becquerel, en el año 1839. Para conseguirlo, se requiere un material

que absorba la luz del sol y sea capaz de transformar la energía radiante

absorbida en energía eléctrica, justo lo que es capaz de hacer las células

fotovoltaicas.

La palabra fotovoltaica se compone de dos términos: Foto = Luz, Voltaica =

Electricidad. Este efecto consiste en el aprovechamiento y transformación de las

emanaciones electromagnéticas de energía luminosa que se recibe del sol, en

Energía Eléctrica, (Díaz, 2008).

2.2.1 Celda fotovoltaica

Las células o celdas solares son dispositivos que convierten energía solar en

electricidad, ya sea directamente vía el efecto fotovoltaico, o indirectamente

mediante la previa conversión de energía solar a calor, o energía química,

(Humberto, 2011).

-Funcionamiento: Una corriente eléctrica es un flujo de electrones que se produce

al establecerse una diferencia de potencial eléctrico. Todos los materiales están

repletos de electrones. Los átomos de los materiales están formados por núcleos

con carga eléctrica positiva rodeados por nubes de electrones con carga eléctrica

negativa como se muestra en la figura 5. En algunos materiales es muy fácil hacer

circular una corriente eléctrica. En otros es más difícil, por no decir imposible. Por

ejemplo, en el caso del cobre o de otros metales, los electrones se pueden

desplazar libremente y permiten establecer circuitos por donde pasa una corriente

eléctrica. Estos materiales se denominan conductores. Sus electrones tienen unas

18

energías particularmente elevadas y pertenecen a una banda energética

denominada banda de conducción. En cambio, existe otro tipo de materiales en

los cuales no puede circular corriente eléctrica alguna, debido a que sus

electrones no tienen ninguna posibilidad de desplazamiento. Se trata de los

materiales aislantes, en los que sus electrones pertenecen a una banda

denominada de valencia. También existen materiales semiconductores, que no

son ni conductores, ni aislantes, pues en ellos las cargas en las dos bandas de

energía antes citadas, la de conducción y la de valencia, se encuentran separadas

por una banda de energía denominada prohibida, porque en ella no hay ninguna

carga eléctrica que tenga la energía correspondiente.

Una célula fotovoltaica sólo puede generar electricidad cuando se cumplen tres

condiciones:

a) se ha de poder modificar el número de cargas positivas y negativas.

b) se han de poder crear cargas que permitan la aparición de una corriente.

c) es preciso que se establezca una diferencia de potencial o campo eléctrico,

(Humberto, 2011).

Figura 5. . Funcionamiento de celda fotovoltaica, (Humberto, 2011).

19

2.2.1.1 Curvas características

La representación típica de la característica de salida de un dispositivo fotovoltaico

(celda, módulo, sistema) se denomina curva corriente tensión.

La corriente de salida se mantiene prácticamente constante dentro del rango de

tensión de operación y, por lo tanto el dispositivo se puede considerar como una

fuente de corriente constante en este rango; la corriente y tensión a la cual opera

el dispositivo fotovoltaico están determinadas por la radiación solar incidente, por

la temperatura ambiente, y por las características de la carga conectadas al

mismo.

La curva de potencia se genera multiplicando la corriente y el voltaje en cada

punto de la curva IV. La figura 6 muestra curvas IV y PV para un módulo

fotovoltaico típico. Bajo condiciones estándares de prueba (irradiación de 1kW/m2

y temperatura de celda de 25 °C), cada modelo de módulo tiene una curva IV (o

PV) característica. En la curva de potencia contra voltaje, la potencia máxima (Pp)

es la capacidad nominal o tamaño del módulo. La corriente y el voltaje en el punto

de máxima potencia (Ip y Vp) corresponden a la corriente nominal y voltaje

nominal del módulo, respectivamente; Es importante notar que cuando el módulo

opera lejos del punto de máxima potencia, la potencia entregada se reduce

significativamente, (Solar, 2007).

Figura 6. Curva PV e IV, (Solar, 2007).

20

Los parámetros importantes a considerar dentro de las curvas son:

Corriente de cortocircuito (I sc): máxima corriente que puede entregar un dispositivo

bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura correspondiendo a

tensión nula y consecuentemente a potencia nula.

Tensión de circuito abierto (V oc): máxima tensión que puede entregar un

dispositivo bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura

correspondiendo a circulación de corriente nula y consecuentemente a potencia

nula.

Potencia Pico (Pmp): es el máximo valor de potencia que puede entregar el

dispositivo. Corresponde al punto de la curva en el cual el producto VxI es

máximo.

Corriente a máxima potencia (Imp): corriente que entrega el dispositivo a potencia

máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se la utiliza

como corriente nominal del mismo.

Tensión a máxima potencia (V mp): tensión que entrega el dispositivo a potencia

máxima bajo condiciones determinadas de radiación y temperatura. Se la utiliza

como tensión nominal del mismo.

Efecto de la intensidad de radiación solar

El resultado de un cambio en la intensidad de radiación es una variación en la

corriente de salida para cualquier valor de tensión; la corriente varía con la

radiación en forma directamente proporcional; la tensión se mantiene

prácticamente constante, figura 7, (Solar, 2007).

21

Figura 7. Efecto de la radiación sobre celda fotovoltaica, (Solar, 2007).

Efecto de la temperatura

El principal efecto provocado por el aumento de la temperatura del módulo es una

reducción de la tensión en forma directamente proporcional. Existe un efecto

secundario dado por un pequeño incremento de la corriente para valores bajos de

tensión; todo esto indica en la figura 8 es por ello que para lugares con

temperaturas ambientes muy altas son aptos módulos que poseen mayor cantidad

de celdas en serie para que los mismos tengan la suficiente tensión de salida para

cargar baterías.

Figura 8.Efecto de la temperatura sobre una celda fotovoltaica, (Solar, 2007).

22

2.2.2 Panel fotovoltaico

Los paneles o módulos fotovoltaicos están formados por un conjunto de celdas

que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellas. El parámetro

estandarizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se

corresponde con la potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas

condiciones estandarizadas, que son:

Radiación de 1000 W/m²

Temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Los paneles fotovoltaicos se dividen en cristalinas y a su vez estos se dividen en

monocristalinas que se componen de secciones de un único cristal de silicio (Si) Y

las policristalinas que están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Los panales amorfos son en los que el silicio no se ha cristalizado. Su efectividad

es mayor cuanto mayores son los cristales, pero también su peso, grosor y coste.

El rendimiento de las primeras puede alcanzar el 20% mientras que el de las

últimas puede no llegar al 10%, sin embargo su coste y peso es muy inferior.

El coste de los paneles fotovoltaicos se ha reducido de forma constante desde que

se fabricaron las primeras células solares comerciales y su coste medio de

generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales

en un creciente número de regiones geográficas tales como España, Alemania por

mencionar algunas, (Rivera, 2001).

2.2.2.1 Orientación

La radiación solar que capta un panel fotovoltaico depende del clima del lugar, de

la estación del año, de la orientación y de la inclinación; la energía captada es

máxima cuando la placa y los rayos del sol están perpendiculares.

El sol sale por el este y se pone por el oeste, estando a medio día en el sur que es

cuando más energía llega a la superficie terrestre.

23

En realidad, la radiación directa es la que interesa, con el fin de poder aprovechar

al máximo los rayos solares. Para éstos se recomienda colocar los paneles

orientados de la siguiente manera:

1. En el Hemisferio Norte, el panel deberá orientarse hacia el sur.

2. En el Hemisferio Sur, hacia el norte, (Valera,1993).

2.2.2.2 Inclinación

La radiación solar que incide sobre un panel fotovoltaico variará con el ángulo que

forme la misma con la radiación. La captación de energía solar será máxima

cuando la posición del panel sea perpendicular a la radiación.

La inclinación de los rayos del sol respecto a la superficie horizontal es variable

a lo largo del año (máxima en verano y mínima en invierno) y por tanto, en

aquellas instalaciones cuyos paneles estén fijos, existirá un ángulo de

inclinación que optimizará la colección de energía sobre una base anual. Es

decir, conviene buscar el ángulo de inclinación de los paneles respecto al plano

horizontal que hace máxima la potencia media anual recibida. En la mayoría de

los casos este ángulo coincide con la latitud del lugar de la instalación.

Normalmente se suele tomar un ángulo mayor de aproximadamente 15º en

beneficio de una mayor captación durante el invierno ya que el sol s mueve más

pegado la horizonte como se muestra en la figura 9 es en esa época cuando la

luminosidad disminuye, dicha acción es a costa de una peor captación en

verano, cuando hay una mayor cantidad de luz, (Montiel, 2003).

Figura 9. Angulo optimo para verano e invierno (Montiel, 2003).

24

Si la instalación del panel fotovoltaico se usara en verano es conveniente que la

inclinación sea menor que el ángulo de latitud alrededor de 15° tomando en cuenta

el ángulo de latitud como ángulo de referencia, se le resta a dicho ángulo 15 °

debido a que el movimiento solar será más cercano a la perpendicular con la

superficie..

Evidentemente, las pérdidas de las superficies horizontales con respecto a las que

están inclinadas aumentan progresivamente a medida que nos acercamos al norte

(en el hemisferio norte) o al sur (en el hemisferio sur). En los polos, los planos

horizontales son inútiles. No obstante, es extremadamente difícil valorar las

pérdidas en los climas templados ya que la proporción de luz difusa del sol es más

grande debido a la presencia de polvo, vapor de agua y nubes. La orientación no

ofrece ninguna ventaja en cuanto a la energía recibida desde la radiación

indirecta. Por el contrario, debido a que los paneles inclinados reciben la luz de

una parte del hemisferio, estos recogen menos luz difusa que los receptores

horizontales.

La diferencia de altura respecto a la horizontal varía con la latitud del lugar.

Ligeras desviaciones de unos 5 grados con respecto del ángulo de inclinación

óptimo tienen sólo un efecto menor en la producción de energía; además, se

necesita que el panel fotovoltaico se mantenga apuntando directamente al sol,

para recibir su máxima radiación. Es decir, cuando los rayos inciden

perpendicularmente en él se obtiene el mayor beneficio; y para lograr esto se

necesita seguirle al sol durante el día y durante todo el año, requiriéndose el ajuste

de dos ángulos muy necesarios como son:

El ángulo azimut ψ, para seguir el movimiento diario del sol de este a oeste. Se

cuenta a partir del Sur, de 0° a ±180°, positivamente hacia el Oeste y

negativamente hacia el Este.

El ángulo de elevación α, para seguir el movimiento anual de la trayectoria solar

en la dirección norte-sur. Se mide a partir del horizonte de 0° a 90°, positivamente

25

hacia el cenit y negativamente hacia el nadir como se muestra en la figura 10. En

lugar de la altura se emplea frecuentemente el ángulo cenital, θz. Se cuenta a

partir del cenit, de 0º a 180º, (Cóndor, 2010).

Figura 10. Coordenadas solares terrestres, (Cóndor, 2010).

2.2.3 Arreglo fotovoltaico

Un arreglo fotovoltaico es un conjunto de módulos conectados eléctricamente en

serie o paralelo. Las características eléctricas del arreglo son análogas a la de

módulos individuales, con la potencia, corriente y voltaje modificados de acuerdo

al número de módulos conectados en serie y en paralelo.

Incrementando el voltaje: Los módulos solares se conectan en serie para obtener

voltajes de salida más grandes. El voltaje de salida, Vs, de módulos conectados

en serie está dado por la suma de los voltajes generados por cada módulo.

Incrementando la corriente: Los módulos solares o paneles se conectan en

paralelo para obtener corrientes generadas más grandes. El voltaje del conjunto

es el mismo que el de un módulo (o un panel); pero la corriente de salida, Is, es la

suma de cada unidad conectada en paralelo

26

Para evitar el flujo de corriente en la dirección opuesta se utilizan diodos de

bloqueo. Y los diodos de paso, proporcionan un camino de alivio para evitar que

circule corriente por un panel o un módulo sombreado (sombra de nubes o de

objetos), figura 11. Un módulo sombreado no genera energía, por lo cual, los

demás módulos lo verán como un punto de resistencia. En consecuencia, fluirá

corriente hacia él convirtiéndose en un punto caliente del arreglo. Aumentará su

temperatura y se degradará aceleradamente.

En la figura 11 se muestra un ejemplo de módulos conectados en serie y en

paralelo. En ella también se muestra la posición de los diodos de paso y el diodo

de bloqueo. Este último debe ser calculado tomando en consideración la máxima

corriente que generará el arreglo fotovoltaico en condiciones de corto circuito. La

norma internacional dice que el valor de la corriente que soporta el diodo debe ser

por lo menos 1.56 veces el valor de la corriente de corto circuito del arreglo de,

(López, 2005).

Figura 11. Arreglo de paneles fotovoltaicos, (López, 2005).

2.3 Clasificación de sistemas fotovoltaicos

2.3.1 Sistema autónomo

Los pequeños sistemas fotovoltaicos autónomos son utilizados principalmente

para electrificación rural de pequeñas comunidades aisladas carentes de

infraestructura básica donde el grado de dispersión de la población es muy alto,

27

características que comparten muchas comunidades de los países en desarrollo.

Los componentes básicos de éste tipo de sistemas son: el generador fotovoltaico

que convierte la luz del sol directamente en energía eléctrica en corriente directa;

la batería que almacena la energía producida por el modulo fotovoltaico además

de proporcionar autonomía durante los días de poca insolación y establecer el

voltaje de operación del sistema; el controlador de carga cuya función es proteger

a la batería, proporcionar información sobre el estado operativo del sistema, y

albergar protecciones del sistema. En los casos donde se requiere suministrar

corriente alterna, los sistemas incluyen un inversor de corriente. La figura 12

muestra la configuración típica de un sistema fotovoltaico de electrificación rural.

Figura 12. Sistema fotovoltaico autónomo, (Cóndor, 2010).

2.3.2 Sistema con conexión a la red

Un sistema conectado a red, tiene una configuración más o menos similar a la de

los sistemas autónomos. Las dos grandes diferencias entre ellos se refieren a la

ausencia de baterías pues la red eléctrica convencional se utiliza como respaldo y

la otra es que invariablemente requieren de un inversor de corriente que les

permite inyectar electricidad a la red. Este tipo de sistemas puede intercambiar

energía eléctrica con la red cuando la generación excede las necesidades de

28

energía del usuario y tomar energía de la red cuando la demanda es mayor a la

energía generada por el arreglo fotovoltaico. La figura 13 muestra el esquema de

un sistema fotovoltaico conectado a la red, (Cóndor, 2010).

Figura 13. Sistema fotovoltaico con conexión a red (Cóndor, 2010).

La conexión de un sistema fotovoltaico a la red eléctrica está sujeta a la cantidad

de potencia que se desea inyectar lo cual se refleja en la cantidad de módulos con

los que se cuenta. Varios módulos conectados en serie son conocidos como una

cadena o string y varios string conectados en paralelo constituyen un arreglo

fotovoltaico. Debido a que el voltaje generado por el arreglo fotovoltaico es de tipo

cd se requiere de un inversor que permita acondicionar el voltaje generado a un

nivel ca.

Con el fin de incrementar la potencia entregada a la red y mejorar la eficiencia del

sistema, el inversor puede contener un seguidor del punto de máxima potencia, el

cual sensa la señal de corriente entregada por el arreglo fotovoltaico y busca

maximizar la potencia entregada por los mismos.

29

2.3.3 Sistema fotovoltaico fijo

Son sistemas instalados en los techos de las viviendas comúnmente en

estructuras fijas; dichos sistemas solo aprovechan al máximo la radiación durante

las horas pico solar es decir cuando los rayos del sol inciden directamente sobre el

panel, lo cual es una desventaja contra un sistema de seguimiento solar.

En un sistema típico, el proceso de funcionamiento es el siguiente: la luz solar

incide sobre la superficie del arreglo fotovoltaico, donde es trasformada en energía

eléctrica de corriente directa por las celdas solares; esta energía es recogida y

conducida hasta un controlador de carga, el cual tiene la función de enviar toda o

parte de esta energía hasta el banco de baterías, en donde es almacenada,

cuidando que no se excedan los límites de sobrecarga y sobre descarga; en

algunos diseños, parte de esta energía es enviada directamente a las cargas.

2.3.4 Sistema fotovoltaico con seguimiento

Por lo general, los paneles solares son colocados sobre un techo o una estructura

y tienen una posición fija; la máxima energía se obtiene cuando los rayos solares

llegan perpendiculares a la superficie del captador. En el caso de arreglos

fotovoltaicos la perpendicularidad entre las superficies de los módulos y los rayos

solares solo se pueden conseguir si las estructuras de montaje del arreglo se

mueven siguiendo al sol.

Los mecanismos de seguimiento se utilizan para mantener los paneles

fotovoltaicos directamente frente al sol, de modo que aumenten la potencia de

salida de los paneles aprovechando un mayor grado de luminosidad.

2.3.4.1 Objetivos de un seguidor solar

Con estos sistemas, se consigue que los paneles fotovoltaicos tengan la máxima

captación de energía durante todo el día, y según cambia la posición del sol en las

estaciones; además se consiguen rendimientos de un 20 a 40% en comparación

con los fijos, (Díaz, 2008). Un sistema fotovoltaico con seguidor solar, ocupa

menos espacio que un sistema fotovoltaico fijo dimensionado para la misma

30

potencia instalada. Con el seguimiento se consigue que los paneles fotovoltaicos

tengan la máxima captación de energía durante todo el día, alargando de esta

manera la vida de las baterías.

Con un sistema de seguimiento automático de dos ejes, los módulos solares

consiguen siempre la posición ideal respecto del sol; además los elementos

mecánicos son fácil de reponer y económicos; son sistemas de bajo costo, nulo

mantenimiento y sencilla operación.

2.3.4.2 Tipos de seguidores solares

Existen diversos seguidores solares los cuales se caracterizan por el movimiento

que realizan; el seguidor de un eje solamente se mueve en una dirección, y se

subdivide en: movimiento de un eje polar, de un eje horizontal, y el de movimiento

acimutal (este-oeste); mientras que en el seguidor de un eje polar a superficie gira

sobre un eje orientado al Sur e inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se

ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el

meridiano terrestre que contiene al sol. La velocidad de giro es de 15º por hora,

como la del reloj.

Otro tipo de seguidor es el de un eje horizontal en este la superficie gira sobre un

eje horizontal y orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la

normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que

contiene al sol. Mientras que en el seguidor de un eje acimutal la superficie gira

sobre un eje vertical. El ángulo de inclinación de la superficie es constante e igual

a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo

momento con el meridiano local que contiene al sol (giro de este a oeste). La

velocidad de giro es variable a lo largo del día. En algunos casos los seguidores

acimutales, dependiendo de la latitud del lugar, situación geográfica, valores de

radiación solar, etc., pueden incrementar la insolación promedio anual en un 15-

25%, con respecto al sistema estático si son automatizados por un motor,

(Cóndor, 2010). El seguidor solar acimutal se muestra en la figura 14.

31

Figura 14. Seguidor solar acimutal, (Cóndor, 2010).

Otro tipo de seguidor es el de dos ejes con el propósito de obtener el mayor

rendimiento y la mejor captación solar, se tienen que combinar los dos

movimientos importantes como son: el movimiento acimutal (este-oeste) y el

ángulo de elevación que sigue el movimiento anual de la trayectoria solar en la

dirección norte-sur.

2.3.4.3 Rodamientos

Es el conjunto de esferas que se encuentran unidas por un anillo interior y uno

exterior, el rodamiento produce movimiento al objeto que se coloque sobre este y

se mueve sobre el cual se apoya, (Norton, 1999).

Los rodamientos se denominan también cojinetes no hidrodinámicos.

Teóricamente, estos cojinetes no necesitan lubricación, ya que las bolas o rodillos

ruedan sin deslizamiento dentro de una pista. Sin embargo, como la velocidad de

giro del eje no es nunca exactamente constante, las pequeñas aceleraciones

producidas por las fluctuaciones de velocidad producen un deslizamiento relativo

entre bola y pista. Este deslizamiento genera calor. Para disminuir esta fricción se

lubrica el rodamiento creando una película de lubricante entre las bolas y la pista

de rodadura.

32

Las bolas, en su trayectoria circular, figura 15, están sometidas alternativamente a

cargas y descargas, lo que produce deformaciones alternantes, que a su vez

provocan un calor de histéresis que habrá que eliminar. Dependiendo de estas

cargas, el cojinete se lubricará simplemente por grasa o por baño de aceite, que

tiene mayor capacidad de disipación de calor, (Norton, 1993).

Figura 15. Rodamiento, (Norton, 1993).

2.3.4.4 Sistema de transmisión

Engranaje es una rueda o cilindro dentado empleado para transmitir un

movimiento giratorio o alternativo desde una parte de una máquina a otra como se

puede observar en la figura 16. Un conjunto de dos o más engranajes que

transmite el movimiento de un eje a otro se denomina tren de engranajes. Los

engranajes se utilizan sobre todo para transmitir movimiento giratorio, pero usando

engranajes apropiados y piezas dentadas planas pueden transformar movimiento

alternativo en giratorio y viceversa, (Deutschman, 1985).

Los engranajes cilíndricos rectos son el tipo de engranaje más simple y corriente

que existe. Se utilizan generalmente para velocidades pequeñas y medias; a

grandes velocidades, si no son rectificados, o ha sido corregido su tallado,

producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.

33

Figura 16. Engrane cilíndrico de dientes rectos, ( Deutschman, 1985).

-Características de un engrane:

-Diente de un engranaje: son los que realizan el esfuerzo de empuje y transmiten

la potencia desde los ejes motrices a los ejes conducidos. El perfil del diente, o

sea la forma de sus flancos, está constituido por dos curvas evolventes de círculo,

simétricas respecto al eje que pasa por el centro del mismo.

• Módulo: el módulo de un engranaje es una característica de magnitud que se

define como la relación entre la medida del diámetro primitivo expresado en

milímetros y el número de dientes. En los países anglosajones se emplea otra

característica llamada Diametral Pitch, que es inversamente proporcional al

módulo. El valor del módulo se fija mediante cálculo de resistencia de materiales

en virtud de la potencia a transmitir y en función de la relación de transmisión que

se establezca. El tamaño de los dientes está normalizado. El módulo está indicado

por números. Dos engranajes que engranen tienen que tener el mismo módulo.

• Circunferencia primitiva: es la circunferencia a lo largo de la cual engranan los

dientes. Con relación a la circunferencia primitiva se determinan todas las

características que definen los diferentes elementos de los dientes de los

engranajes.

34

• Paso circular: es la longitud de la circunferencia primitiva correspondiente a un

diente y un vano consecutivos.

• Espesor del diente: es el grosor del diente en la zona de contacto, o sea, del

diámetro primitivo.

• Número de dientes: es el número de dientes que tiene el engranaje. Se simboliza

como (Z). Es fundamental para calcular la relación de transmisión. El número de

dientes de un engranaje no debe estar por debajo de 18 dientes cuando el ángulo

de presión es 20º ni por debajo de 12 dientes cuando el ángulo de presión es de

25º.

• Diámetro exterior: es el diámetro de la circunferencia que limita la parte exterior

del engranaje.

• Diámetro interior: es el diámetro de la circunferencia que limita el pie del diente.

• Pie del diente: también se conoce con el nombre de dedendum. Es la parte del

diente comprendida entre la circunferencia interior y la circunferencia primitiva.

• Cabeza del diente: también se conoce con el nombre de adendum. Es la parte

del diente comprendida entre el diámetro exterior y el diámetro primitivo.

• Flanco: es la cara interior del diente, es su zona de rozamiento.

• Altura del diente: es la suma de la altura de la cabeza (adendum) más la altura

del pie (dedendum).

• Ángulo de presión: el que forma la línea de acción con la tangente a la

circunferencia de paso, φ (20º ó 25º son los ángulos normalizados).

• Largo del diente: es la longitud que tiene el diente del engranaje

• Distancia entre centro de dos engranajes: es la distancia que hay entre los

centros de las circunferencias de los engranajes.

35

• Relación de transmisión (Rt): es la relación de giro que existe entre el piñón

conductor y la rueda conducida. La relación de transmisión puede ser reductora de

velocidad o multiplicadora de velocidad, ( Deutschman, 1985).

-Sistema de cadena y rueda dentada

Mediante este sistema se consiguen transmitir potencias relativamente altas entre

dos ejes distantes entre sí, sin que exista apenas resbalamiento o

desprendimiento entre las dos ruedas de piñones y la cadena, que es el elemento

de enlace que une ambas ruedas.

Quizás entre las muchas aplicaciones que usan este tipo de sistemas de

transmisión, las primeras que nos vienen a la mente son la de la bicicleta y la de la

motocicleta, aunque también se utilizan en otros muchos campos, sobre todo en el

sector de la maquinaria agrícola.

Este sistema consta de dos ruedas dentadas (piñones) montados sobre dos ejes

paralelos y sobre las cuales se adentran los eslabones flojamente articulados que

componen la cadena, de manera que al hacer girar una de ellas (rueda motriz)

arrastra a la otra (rueda conducida) como se muestra en la figura 17. El

movimiento rotatorio y el movimiento de torsión se trasmiten entre ejes por la

tracción entre la cadena y las ruedas dentadas.

Para evitar problemas de pérdida de velocidad por el resbalamiento de la cadena

será necesario que ésta se mantenga suficientemente tensa, lo cual se consigue a

base de ruedas tensoras dentadas. Además, un sistema de este tipo necesita de

un mantenimiento continuo de lubricación para reducir el deterioro y el desajuste

entre la cadena y los piñones, así como el funcionamiento ruidoso de éste.

Para este sistema se cumplen las mismas expresiones que en un sistema de

poleas de transmisión simple.

36

Figura 17. Transmisión cadena Catarina (Norton,1999).

2.3.4.5 Microcontrolador

Es un circuito integrado programable que contiene todos los componentes de un

computador, siendo capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria, y

está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea

específica. Poseen una memoria interna que almacena dos tipos de datos; las

instrucciones, que corresponden al programa que se ejecuta, y los registros,

(Usategui, 1997).

-Componentes:

Memoria

La memoria de instrucciones y datos está integrada en el propio chip, una parte de

la memoria es no volátil, tipo ROM, y se destina a contener el programa de

instrucciones que gobierna la aplicación; la otra parte es del tipo RAM, volátil, y se

destina a guardar las variables y los datos.

37

Las memorias EEPROM y FLASH permiten que los microcontroladores puedan

ser reprogramados "en circuito", es decir, sin tener que sacar el circuito integrado

de la tarjeta. La reprogramación del microcontrolador puede darse por varias

veces, hasta dejar a punto al sistema o equipo.

Puertos de Entrada y Salida

Son pines que salen a través de la cápsula que contiene el microcontrolador, su

función es la de soportar las líneas de E/S que comunican las instrucciones del

computador interno con los periféricos exteriores. Cada modelo de

microcontrolador posee más o menos pines y se destinan a proporcionar el

soporte a las señales de entrada, salida y control.

Temporizadores o "Timers"

Se emplean para controlar periodos de tiempo (temporizadores) y para llevar la

cuenta de acontecimientos que suceden en el exterior (contadores). Para la

medida de tiempos se carga un registro con el valor adecuado y a continuación

dicho valor se va incrementando o decrementando al ritmo de los impulsos de

reloj.

Reloj principal

Todos los microcontroladores disponen de un circuito oscilador que genera una

onda cuadrada de alta frecuencia, que configura los impulsos de reloj usados en la

sincronización de todas las operaciones del sistema, si la frecuencia aumenta, se

disminuye el tiempo de ejecución de las instrucciones.

Perro guardián o "Watchdog"

Un microcontrolador funciona sin el control de un supervisor y de forma continuada

las 24 horas del día. El Perro guardián consiste en un temporizador que, cuando

se desborda y pasa por 0, provoca un reset automáticamente en el sistema.

38

Protección ante fallo de alimentación o "Brownout"

Se trata de un circuito que resetea al microcontrolador cuando el voltaje de

alimentación (Vdd) es inferior a un voltaje mínimo ("brownout").

Convertidor A/D (CAD)

Los microcontroladores que incorporan un Convertidor A/D (Analógico/Digital)

pueden procesar señales analógicas, tan abundantes en las aplicaciones.

Estado de reposo o de bajo consumo

Se caracteriza por el bajo consumo de energía, los microcontroladores disponen

de una instrucción especial (SLEEP), que los pasa al estado de reposo o de bajo

consumo, en el cual los requerimientos de potencia son mínimos.

Convertidor D/A (CDA)

Transforma los datos digitales obtenidos del procesamiento del microcontrolador,

en su correspondiente señal analógica que envía al exterior por un pin de la

cápsula.

Modulador de ancho de pulso o PWM

Esta instrucción permite enviar un tren de pulsos modulado por ancho, a un PIN.

Cada ciclo de PWM está compuesto por varios pasos, y se ofrecen al exterior a

través de los pines del encapsulado.

Comparador analógico

Disponen internamente de un amplificador operacional que actúa como

comparador entre una señal fija de referencia y otra variable que se aplica por un

pin de la cápsula. La salida del comparador proporciona un nivel lógico 1 ó 0

según una señal sea mayor o menor que la otra.

39

Puertos de E/S digitales

Todos los microcontroladores destinan algunos de sus pines a soportar líneas de

E/S digitales. Por lo general, estas líneas se agrupan de ocho en ocho formando

Puertos, ( Deutschman, 1997).

2.3.4.6 Sensor

Un sensor o captador, como prefiera llamársele, no es más que un dispositivo

diseñado para recibir información de una magnitud física y transformarla en otra

magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización

de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR, etc... todos

aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la

utilización de componentes activos.

Pero el tema constructivo de los captadores lo dejaremos a un lado, ya que no es

el tema que nos ocupa, más adelante incluiremos en el WEB SITE algún diseño

en particular de algún tipo de sensor.(Rodríguez, 1996)

-Sensor foto resistivo

Los LDR (Light Dependent Resistor, o Resistor Dependiente de la Luz) son, como

su nombre lo indica, resistencias cuyo valor varía de acuerdo al nivel de luz al que

están expuestas. Si bien los valores que puede tomar una LDR en total oscuridad

y a plena luz puede variar un poco de un modelo a otro, en general oscilan entre

unos 50 a 1000 ohmios (1kΩ) cuando están iluminadas (por ejemplo, con luz

solar) y valores comprendidos entre 50kΩ (50,000 Ω) y varios megohmios

(millones de Ω) cuando está a oscuras, (Rodríguez, 1996).

40

Desde el punto de vista constructivo, las LDR están fabricadas con materiales de

estructura cristalina, siendo los más utilizados el sulfuro de cadmio y el seleniuro

de cadmio, aprovechando sus propiedades fotoconductoras.

Una cuestión a tener en cuenta cuando diseñamos circuitos que usan LDR es que

su valor (en Ω) no variará de forma instantánea cuando se pase de estar expuesta

a la luz a oscuridad, o viceversa, y el tiempo que se dura este proceso no siempre

es igual si se pasa de oscuro a iluminado o si se pasa de iluminado a oscuro (se

dice que muestra inercia a las variaciones de la intensidad luminosa). Igualmente,

estos tiempos son cortos, generalmente del orden de una décima de segundo.

Esto hace que el LDR no se pueda utilizar en algunas aplicaciones, concretamente

en aquellas que necesitan de mucha exactitud en cuanto a tiempo para cambiar

de y a exactitud de los valores de la fotorresistencia al estar en los mismos

estados anteriores. Pero hay muchas aplicaciones en las que una fotorresistencia

es muy útil. En casos en que la exactitud de los cambios no es importante como

en los circuitos que veremos en este trabajo.

2.3.4.7 Motor

Se denomina así a la máquina eléctrica capaz de transformar la energía eléctrica

que recibe, en energía mecánica. Básicamente consiste en un circuito magnético,

uno o más circuitos eléctricos y soportes mecánicos. Todo motor eléctrico consta

de dos partes, una fija denominada estator, y otra móvil respecto a esta última

denominada rotor. Dentro de la misma, existen dos tipos de devanados: el

inductor, que origina el campo magnético para inducir las tensiones

correspondientes en el segundo devanado, que se denomina inducido, pues en él

aparecen las corrientes eléctricas que producen el par de funcionamiento. Tanto el

estator como el rotor están hechos de material ferromagnético, y disponen de una

serie de ranuras en las que se alojan los hilos conductores de cobre que forman el

devanado eléctrico, (Fitzgerald, 1992).

41

-Tipos de motores

Existen muchos motores que pueden ser utilizados dentro de los procesos

industriales, la robótica, mecatrónica, etc. Entre los principales se pueden

enumerar: motores de corriente continua (DC), motores de corriente alterna (AC),

motor paso a paso, servomotores, hidráulicos y los neumáticos. Dependiendo del

trabajo efectuarse, y en este caso tratándose de automatismos para producir

movimiento controlado, los motores más utilizados son: los motores paso a paso, y

los servomotores. Pero hay que tomar muy en cuenta algunas características y

factores importantes como son: la velocidad, el par de arranque, el frenado, la

inercia y el modo de control. Es necesario considerar los siguientes factores:

Si no se necesita mucha potencia y posicionamiento, se emplean motores paso a

paso.

Si se necesita posicionamiento con un mayor torque se debe utilizar servomotores.

Si se requieren grandes potencias, se emplean generalmente motores de corriente

continua (por su facilidad de regulación) o también pueden utilizarse motores de

corriente alterna, (Fitzgerald, 1992).

-Motor de corriente directa

El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía

eléctrica en mecánica, provocando un movimiento rotatorio. En algunas

modificaciones, ejercen tracción sobre un riel. Estos motores se conocen

como motores lineales.

Su principal inconveniente es el mantenimiento, muy caro y laborioso.

Una máquina de corriente continua (generador o motor) se compone

principalmente de dos partes. Un estator que da soporte mecánico al aparato y

tiene un hueco en el centro generalmente de forma cilíndrica. En el estator

además se encuentran los polos, que pueden ser de imanes permanentes o

devanados con hilo de cobre sobre núcleo de hierro. El rotor es generalmente de

forma cilíndrica, también devanado y con núcleo, al que llega la corriente mediante

42

dos escobillas. También se construyen motores de cd con el rotor

de imanes permanentes para aplicaciones especiales.

Un motor CD consiste en un estator, una armadura, un rotor y un colector con

escobillas. La polaridad opuesta entre dos campos magnéticos dentro del motor

hace que gire. Los motores CD son el tipo más simple de motor y se utilizan en

electrodomésticos, como las máquinas de afeitar eléctricas, y en ventanas

eléctricas de automóviles.

Un motor CD está equipado con imanes, ya sean permanentes o bobinas

electromagnéticas, que producen un campo magnético. Cuando la corriente pasa

a través de la armadura, también conocida como bobina o alambre, ubicada entre

los polos norte y sur del imán, el campo generado por la armadura interactúa con

el campo del imán y genera torsión. En un motor cd, el imán forma el estator, la

armadura se ubica en el rotor y el colector alterna la corriente entre una bobina y

la otra. El colector conecta la fuente de energía estacionaria a través del uso de

escobillas o varas conductoras. Además, los motores cd operan con una velocidad

fija o un voltaje fijo y no existe división. En la figura 18 se muestran las partes del

motor de cd.

Figura 18. Motor de Corriente Directa

Capítulo 3Desarrollo

3.1Metodologia

Las etapas a seguir son:

1.- Etapa de investigación

Investigar aspectos relacionados con la energía solar para contextualizar el diseño

y construcción del seguidor solar, así como cada uno de los componentes a utilizar

como lo son microcontrolador, motor, elementos mecánicos etc.

2.-Etapa de diseño

Realizar una lluvia de ideas y una vez plasmados los diseños recurrir a software

de simulación para verificar el funcionamiento del los circuitos electrónicos y la

resistencia de las piezas mecánicas ya que se tiene el diseño del prototipo se

44

pasa a implementar físicamente lo diseñado; los diseños de este proyecto son de

diferente índole como lo son:

-Diseño de estructura y base, es decir hacer análisis de fuerzas utilizando el

teorema de armaduras para calcular los momentos y las tenciones en las vigas.

-Diseño de transmisión mediante engranaje, es decir crear una transmisión que

sea capaz de elevar el torque del motor para que sea capaz de hacer girar el

panel solar junto con la estructura y romper el momento de inercia.

-Diseño de control: ya que el control se realizará mediante sensores es necesario

diseñar el programa del micro controlador para que éste compare los voltajes de

los sensores y hacer girar el motor hacia una posición u otra.

3.-Etapa de integración:

Luego de ya haber realizado el diseño de cada parte del prototipo se procede a la

integración, es decir hacer físicamente lo planteado en simulaciones y cálculos;

esto conlleva a armar la estructura para montar el panel y éste gire libremente,

acoplar el motor, realizar el control y al final que el sistema en si esté armado y

listo para utilizarse.

4.-Etapa de pruebas:

Una vez armado el prototipo es necesario comprobar su funcionamiento y

corroborar que lo simulado y calculado se comporta igualmente en la realidad; se

realizaran pruebas de esfuerzos a la estructura así como otras pruebas

mecánicas; se comprobará que la transmisión eleve el torque y disminuya la

velocidad del motor y que el sistema de control sea lo suficientemente confiable,

decir que se tenga la certeza de que siempre se obtendrá la corriente de corto

circuito máxima y lo más importante que sea un sistema autosustentable y

autónomo sin que sea dependiente de alguna otra fuente de energía solo de la

energía generada por el panel fotovoltaico.

45

5.- Etapa de comparación:

Una etapa crítica es la de comparación ya que aquí radica el punto medular del

proyecto que tiene como finalidad el comparar un sistema fotovoltaico fijo con uno

de seguimiento para así llegar a una conclusión y así conocer si un sistema móvil

puede alimentarse a si mismo así como también proporcionar energía a otras

cargas que no formen parte del sistema de seguimiento; para la realización de

esta etapa se tomarán pruebas de corriente y voltaje entregados por el panel tanto

en días soleados como en días nublados para tener en cuenta todas las variantes

que pudieran existir; se tabularán los resultados tomando intervalos de media hora

entre cada medición y al final la comparación de dichas tablas será el resultado del

proyecto.

La figura 19 muestra el diagrama de metodología del desarrollo del proyecto.

Figura 19. Diagrama de metodología.

INICIO

INVESTIGACIÓN

ENERGIA SOLARENERGIA

FOTOVOLTAICASEGUIDOR SOLAR

IMPLEMENTCIÓN

ESTRUCTURA

TRANSMISIÓN

CONTROLINTEGRACIÓN

CUMPLE CON REQUE

RI-MIENT

OS

PRUEBASRESOLVER PROBLEMA

S

COMPARACIÓN

FIN

NO

SI

46

3.2 Herramientas y materiales

Las herramientas y materiales son los que nos facilitarán la creación del prototipo

es decir los que facilitarán el diseño mediante software y los que permitirán que las

ideas se conviertan en un sistema confiable y que cumpla con los requerimientos

planteados.

+Software:

-Solid Works version 2010.-Proteus ISIS version 2009.-MicroSim version 2012.-MikroC versión 2010.

+Herramientas y maquinaria:

-Soldadora de Arco. -Segueta. -Osciloscopio.-Barrenadora. -Martillo. -Multímetro.-Torno. -Pulidora.-Fresadora. -Computadora.-Taladro. -Compresor.-Soplete. -Esmeril.-Cortadora. -Nivel.

+Materiales:

-Solera de 5 pulgadas. -Panel solar siemens de 100W.-Tubo PTR de 2 pulgadas. -Chumaceras.-Tubo de aluminio (ejes). -Microcontrolador 16f887.-Tornillos. -Sensores LDR de 2 MΩ.-Electrodos. -Cable par trenzado.-Ángulo. -Relevadores de 5 V.-Catarina. -Transistores BC547.-Cadena. -Potenciómetros de 5 kΩ.-Engranes.-Motor de CD de 12 V a 4 A.

3.3 Radiación solar captada por el panel fotovoltaico

Antes de realizar el diseño es necesario comparar teóricamente la energía

proporcionada por el panel solar desde las dos perspectivas es decir, estando este

fijo o con un sistema de seguimiento.

-Sistema fotovoltaico con seguimiento

El sistema de seguimiento siempre estará posicionado en forma directa al sol, lo

que significa que los rayos incidirán directamente en el panel y por lo tanto la

radiación será normal a éste, durante el transcurso del ciclo solar; para determinar

esto es necesario conocer cuatro parámetros los cuales son la radiación del lugar

donde se instalará el sistema de seguimiento, para ello se utilizó la base de datos

del software solartronic desarrollado por UNAM, otro parámetro es la potencia que

entrega el panel según el dato de placa del mismo en este caso el panel entrega

una potencia de 100 W a una irradiación de 1000 Wh/m2 y también son necesarios

los días del mes para con los parámetros mencionados seguir la formula:

Energia entregada=(Irradiacion ) ( potenciadel panel )(dias delmes)

1000wh /m2 (1)

Para conocer la potencia es necesario sacar dicho dato anualmente es necesario

desglosarlo por mes y que la irradiación varía de acuerdo a la estación del año y a

la localización del punto donde se colocara el panel, en este caso será en Cd.

Obregón, Sonora ciudad que está localizado en 27.48° de latitud y en -109.98° de

longitud; los datos que arrojo el software RADII fueron los siguientes:

48

Figura 20. Irradiación en Cd. Obregón, Sonora.

Tabla 1. Energía entregada por el panel con seguimiento solar

49

La tabla 1 muestra los datos de potencia real obtenida del panel durante cada

mes del año aplicando la formula mostrada anteriormente; tomando en cuenta la

potencia de 100 W del panel y una irradiación sobre este de 1000 wh/m2 y

suponiendo 30 días al mes. En la figura 21 se muestra el comportamiento de la

energía a lo largo del año.

Figura 21. Energía entregada durante el año por un sistema móvil.

Como se puede observar en la tabla la energía proporcionada por el panel a lo

largo del año fluctúa de 12.74 kW/h en el mes de diciembre hasta los 21.38 kW/h

en el mes de junio.

-Sistema fotovoltaico fijo

Para el análisis de el posicionamiento fijo se debe de tener en cuenta que la

irradiación directa solo le llegará en promedio un total de 2 horas en el transcurso

del día que es cuando el sol está posicionado en el sur en frente del panel pero es

necesario tomar en cuenta un promedio de irradiación que es tomada desde los

distintos ángulos de azimut desde que amanece hasta que anochece. Como ya se

mencionó el ángulo de azimut es el ángulo que forman un plano vertical que pasa

por el observador de norte a sur y otro plano vertical que pasa por el observador y

50

el sol; es decir es 0° en la dirección norte tomando valores positivos al este y

negativos al oeste. Figura 22.

Se usará el software metronorm 7 para simular las distintas irradiaciones variando

el ángulo de azimut desde los 90° hasta los 270° ya que el sol sale por el este y se

oculta por el oeste alcanzando su dirección directa al panel cuando pasa por los

180° es decir pasando por el sur. También se colocó en el simulador la inclinación

del panel con un ángulo de 27° ya que este es la latitud del Cd. Obregón. Se tomó

la potencia marcada en datos de placa del panel de 100 W y una irradiación

promedio de 1000 Wh/m2 así como suponiendo 30 días al mes; para calcular la

energía entregada se uso la misma fórmula de el posicionamiento con

seguimiento. Los datos arrojados por el simulador se muestran en la figura 22 y 23

Figura 22. Irradiación a 180° azimut

51

Figura 23. . Horas sol a 180° azimut

Tabla 2. Energía entregada con promedio de ángulo de azimut.

52

Como se puede apreciar en la tabla 2 la irradiación máxima se da cuando el

ángulo de azimut esta en 180° es decir cuando el sol está directamente

perpendicular al panel y la mínima irradiación se da cuando el sol aparece o se

esconde es decir a los 90° y 270°. En la figura 24 se puede observar el

comportamiento de la energía a lo largo del año.

Figura 24. Energía entregada por el sistema fijo a lo largo del año.

Comparando los resultados de ambas tablas se puede observar que la energía

producida por un sistema de seguimiento es mayor en un 40% que por un sistema

fijo debido a que a este siempre está captando irradiación directamente del sol.

3.4 Etapa de sensado

3.4.1 Adecuación mecánica del sensor

El seguidor solar al estar en contacto con la irradiación del sol éste deberá estar

en la intemperie es decir al aire libre por lo cual sus componentes deberán estar

protegidos contra agentes externos, es por eso que los sensores junto con su

circuitería deberán estar tapados por una cubierta.

La adecuación mecánica consta de una placa de 12 cm por 8 cm colocada en la

parte superior del circuito del puente de wheatstone separado de esté a una altura

aproximada para que el potenciómetro calibrador alcance a ser visible por si se

53

quiere calibrar el sensor posteriormente como se puede observar en la figura 26,

las tomas de señal así como la entrada de la fuente y de la tierra se encuentran en

la parte inferior de la placa y soldado al circuito del puente; las LDR tienen una

cierta inclinación a lado opuesto una de la otra para mejor captación de luz cuando

el sol esté demasiado alejado del centro de los dos sensores, entre las LDR se

encuentra una barrera de 20 cm de alto la cual tiene la finalidad de proporcionar

sombra a uno de los dos LDR y así crear un voltaje diferencial que le dará el

movimiento al seguidor solar, esto ya que cuando un sensor está bajo sombra éste

baja su voltaje en comparación a cuando estaba a plena luz.

Como se puede observar en la figura 25 cuando el sol está totalmente sobre la

barrera separadora, le llega la misma luz a los dos sensores, pero cuando el sol se

mueve un poco la barrera hace que se haga sombra sobre uno de los LDR y

llegue plena luz al otro creándose así el voltaje diferencial

Figura 25. Creación de sombra sobre uno de los sensores mediante la barrera.

54

Figura 26. Dimensiones de adecuación mecánica para sensor.

tanƟ= cateto opuestocatetoadyascente

(2)

Ɵ=tan−1( catetoopuestocateto adyascente

)

Ɵ=tan−1( 1cm20cm

)

Ɵ=2.56 °

20 cm

1 cm

20 cm

1 cmFigura 27. Angulo de reacción al cambio

de posición.

55

De acuerdo a la altura de la barrera y a qué tan cerca estén los sensores uno del

otro será el ángulo de susceptibilidad al cambio de posición en este caso la

distancia de la barrera a la punta del LDR es de 1 cm y la altura de la barrera es

de 20 cm por lo cual el ángulo del sol con respecto a la vertical en el instante en

que se sombrea el sensor es de 2.56° según la figura 27. Esto significa que cada

2.56° de movimiento solar con respecto a la vertical de la barrera se producirá una

diferencia de potencial en los extremos del puente capaz de hacer que el seguidor

gire en sentido del LDR que arroje más voltaje es decir a la que le llegue más luz.

3.4.2 Circuito

Para la etapa de sensado se decidió usar LDR las cuales varían su resistencia de

acuerdo a la cantidad de luz que incida en ella, ya que el sistema será de un solo

eje automatizado solo son necesarias dos LDR para de acuerdo a la intensidad de

luz que incida en ellas decidirán el giro del panel. Es bien sabido que la

temperatura afecta el desempeño de la foto resistencias pero para esta aplicación

no es de importancia ya que si la temperatura sube ésta afectará a los dos

sensores por igual y el parámetro que es de interés es la diferencia de voltaje

existente entre las dos LDR.

Para la configuración de los sensores se uso un puente de wheatstone ya que se

requiere la mayor precisión posible y que el sistema de sensado no tenga

variaciones; el puente de wheatstone es comúnmente usado para medir valores

de resistencias tanto en cd como en ca pero para esta aplicación es de utilidad ya

que se puede adecuar a nuestras necesidades colocando como pares de

resistencias superiores las dos LDR que serán las que harán variar el voltaje y

como par de resistencias inferiores se colocaron un resistencia genérica de 1 kΩ y

un potenciómetro el cual servirá para calibrar el sensor y llegar a la igualdad en los

dos extremos del puente de wheatstone ya que idealmente la relación entre las

dos resistencias superiores debe ser igual a la relación entre las superiores.,

llegando a la ecuación 3.

56

Figura 28. Puente de Wheatstone (Rodríguez, 1999).

R3R4

=R2Rx

(3)

Lo cual nos muestra que las resistencias R3 y R4 deberán ser iguales ya que las

LDR idealmente si captan la misma cantidad de luz tendrán el mismo valor

resistivo; es difícil encontrar dos resistencias con exactamente el mismo valor es

por eso del uso del potenciómetro de precisión; así se le colocará a las LDR la

misma cantidad de luxes y el voltaje diferencial en el puente de wheatstone deberá

ser cero. En analogía con el puente de wheatstone se podría comparar con dos

divisores de voltaje acoplados a la misma alimentación y la misma tierra y

tomando los voltajes de comparación de el nodo colocado entre la LDR y la

resistencia. El tener la etapa bien calibrada es de vital importancia ya que si uno

de los sensores arroja mayor voltaje que el otro teniendo la misma cantidad de luz

las dos LDR, el seguidor siempre estaría colocado ciertos grados desviados de los

rayos solares. Ahí recae la importancia de un voltaje diferencial precisa e

invariante.

57

No fue necesario caracterizar el sensor a diferentes valores de radiación o a

diferentes ángulos de incidencia ya que solo nos importa la diferencia que existe

entre un punto y el otro del puente de wheatstone; es por eso que se midió el

voltaje en dichos nodos a diferentes circunstancias y se obtuvieron los resultados

mostrados en la tabla 3.

Tabla 3. Valores de voltaje en sensado.

SITUACIONETAPA PREVIAMENTE CALIBRADA

SOMBRA DIRECTO DIRECTO SOMBRASENSOR 1 SENSOR 2 SENSOR 1 SENSOR 2

Soleado 3.9 V 4.51 V 4.51 V 3.9 vNublado 3.3 V 3.4 V 3.4 V 3.3 V

Como se observa en la tabla 3 cuando la luz irradia directamente en los dos

sensores estos arrojan un voltaje de 4.51 pero cuando el sol se mueve y la barrera

le proporciona sombra a uno de los sensores se produce una diferencia de voltaje

de 0.6 V entre los dos; en cambio cuando está nublado no hay sombra y el voltaje

diferencial entre los extremos del puente de wheatstone es casi nulo. Se procedió

a ensamblar el circuito y a simularlo para esto se utilizó el software de simulación

proteus ISIS el cual cuenta con la opción de simular LDR con lámpara integrada

para variar la luz y así que esta varié su valor resistivo, obteniendo siguientes

resultados:

Figura 29. Simulación de LDR con luz casi nula.

58

Primero se simulo luz casi nula es decir cuando no existe sol, cuando este va

apareciendo o ocultándose como se observa en la figura 29 los voltajes

diferenciales son muy cercanos a cero ya que la LDR conserva su alto valor

resistivo

Figura 30. LDR a plena luz del día.

Posteriormente se simulo con gran incidencia de luz en los sensores y como se

observa en la figura 30 los voltajes diferenciales se acercan a los 5 V ya que la

LDR ya bajo su valor resistivo debido a la cantidad de luz.

Figura 31. LDR con mayor incidencia de luz del lado derecho.

59

Se simulo posteriormente que al sensor de la derecha recibía mayor cantidad de

luz y luego al de la izquierda como se observa en la figura 31 y 32

respectivamente, como se observa mientras más luz recibe el sensor mas voltaje

se obtiene en el nodo obteniendo así un voltaje diferencial en los extremos del

puente haciéndose cero solo cuando los dos voltajes sean totalmente iguales es

decir cuando a los LDR les llegue la misma intensidad de luz.

Figura 32. LDR con mayor incidencia de luz del lado izquierdo.

Figura 33. Simulación de LDR con diferente resistencia inferior.

60

En la figura 33 se puede observar cómo afecta la diferencia entre las resistencias

inferiores de la configuración a los voltajes que se obtienen, se simulo la

resistencia de la izquierda como de 1kΩ y a la de la derecha como de 10 kΩ y los

voltajes obtenidos fueron 3.3 V y 4.76 V respectivamente, cuando idealmente

estos deberían ser voltajes iguales debido a quela luz incidente en los sensores

es la misma tal y como paso en los casos anteriores.

El dato de importancia dentro de la simulación fue el voltaje tomado de los

extremos del puente de wheatstone ya que con respecto a estos voltajes se

realizara la comparación y se tomara la decisión del giro del seguidor solar.

3.5 Control

El control del sistema deberá ser preciso ya que la variable a controlar es voluble y

por ser dependiente de factores meteorológicos; el encargado de realizar el control

es el pic16F887 ya que éste procesará la señal proporcionada por los sensores y

tomará la decisión de a dónde debe girar el seguidor mandándole las secuencias

de pulsos a los relevadores y de ahí al motor de corriente directa.

Se decidió usar el PIC16F887 ya que cuenta con un convertidor de analógico a

digital y varios canales capaces de recibir señales analógicas además de que éste

ya cuenta con un oscilador interno lo cual facilita la implementación del circuito.

El sistema de control tendrá como entrada las dos ramas tomadas de la etapa de

sensado que pertenecen a los extremos del puente de wheatstone estos voltajes

podrán variar entre 0 y 5 V ya que ésta es la alimentación que se le introduce al

sensor y dependiendo del valor resistivo del LDR variará el voltaje en el divisor de

voltaje y la señal que proporcionará el tercer sensor para detectar el amanecer; la

finalidad de la etapa de sensado como se mencionó anteriormente es proporcionar

dos señales analógicas ya que éstas variarán su valor a lo largo del tiempo,

obtenidas estas señales, se introducirán a las entradas analógicas del micro

controlador en este caso se eligieron las entradas 1 y 2 (AN1 yAN2) que se

encuentran en los pines 3 y 4 del chip respectivamente una vez ingresadas las

61

señales, se introducen al ADC del pic y esté convertirá el valor de 0 a 5 V a un

valor de 10 bits, es decir de 0 a 1024 realizando así el escalamiento de la señal;

ya que se tiene las señales en digital éstas se transfieren a dos variables de tipo

“unsigned int” llamadas sensor uno y sensor dos, después se realiza la resta de

las dos señales guardando el resultado en una variable tipo float para también

tomar en cuenta los valores negativos de tipo flotante, luego se procede a

convertir el valor de la resta a su similar en voltaje para hacer más fácil la

comparación, esto se realiza dividiendo el valor digital entre 1024 y multiplicándolo

por 5

Se decidió darle a la lógica de comparación una histéresis de 0.3 V esto con la

finalidad de que haya un estado donde el motor esté estático y el panel no tenga

movimiento; si el valor de la resta de las dos señales está entre -.15 y 0.15 V

(histéresis de 0.3 volt) el motor se detendrá, si el valor es mayor que 0.55V el

motor girará a la derecha y si es menor que -0.15 V gira a la izquierda. Para

solucionar el problema de el amanecer y los días nublados se tomó en

consideración el bajo nivel de voltaje arrojado por los sensores en ambas

situaciones; es decir cuando ambos sensores detecten poca luminosidad y ambos

nodos del puente de wheatstone arrojen valores de voltaje por debajo de los 3.5 V,

el motor girará hacia la izquierda hasta toparse con la señal de un sensor reflectivo

posicionado exactamente donde se encuentra el sur del sistema, y ahí se

detendrá; es decir si está nublado o ya obscureció los sensores enviaran un bajo

nivel de voltaje y el seguidor se posicionará en el sur de forma óptima, así no se

desperdiciará energía realizando el seguimiento en un día nublado donde la

radiación es variante en extremo, además si al llegar el anochecer el seguidor

como ya se mencionó se posicionará en el sur, así cuando amanezca de nuevo el

sensor que estará del lado este detectará la luz solar y se producirá una diferencia

de voltaje y el sistema se colocará de frente al sol de nuevo; así se procura que

solo se produzca el seguimiento en días soleados, y en días nublados el seguidor

se coloque al sur y al mismo tiempo asegurando el reinicio del sistema cada día al

amanecer.

62

La simulación se realizó en el software proteus ISIS® con los tres sensores como

entrada y los dos bits que entrarán al driver como salida, más adelante se

explicará el funcionamiento del driver, para la simulación es necesario saber que

un bit es el encargado de decidir si habrá voltaje o no en el motor y el otro bit es el

encargado de decidir el giro del motor ya sea izquierda o derecha, la simulación se

puede observar en las figuras 34, 35 y 36.

Figura 34. Motor detenido.

Como se pudo observar en la figura 34 el motor está detenido ya que a los dos

sensores les llega la misma cantidad de luz por lo que el voltaje diferencial es

cero.

En la figura 35 se puede apreciar que el motor gira a la derecha ya que en un

sensor incide mayor luz que en el otro creando así un voltaje diferencia

considerable y sucede el caso contrario en la figura 36 donde el motor gira hacia la

izquierda.

En la figura 37 se puede apreciar el diagrama de la lógica de control donde se

observa el flujo que sigue el programa realizado, el código se presenta en el

apéndice A.

63

Figura 35. Motor girando a la derecha.

Figura 36. Motor girando a la izquierda

64

Figura 37. Diagrama de flujo de control.

INICIO

Se declaran las variables y

funciones

Se configuran puertos

Se inicializan variables

Se transfiere el valor de la lectura

analógica a una variable tipo

flotante.

Se realiza la resta del sensor uno

menos el sensor dos.

El resultado de la resta se convierte

a valores de voltaje y se guarda

en la variable Y.

(Sensor1<0.35)&&(sensor2<0.35)

si

no

PORTC.b0==1

si

no

Giro a izquierda

Motor detenido

(0.15>y)&&(y>-0.15)

Motor detenido

si

no

Y>0.15si Giro a

izquierdanoGiro a

derecha

65

3.6 Motor

El actuador que le dará movimiento al sistema de seguimiento será un motor, en

este caso un motor de corriente directa ya que al usar sensores sólo es necesario

controlar el giro de izquierda a derecha o viceversa sin controlar posición ya sea

por grados o por tiempo, es decir la señal de los sensores decidirá el

posicionamiento del seguidor, es verdad que el motor a pasos tiene integrado el

motor reductor que permite que al desear parar le seguidor esté lo hace al instante

y mantiene la posición sin importar la fuerza de inercia que se tenga; pero para

que esto pase se tienen que energizar las bobinas lo cual nos habla de consumo

de energía cuando el seguidor está detenido lo cual no es conveniente ya que el

objetivo es crear un sistema autónomo con el máximo aprovechamiento de

potencia; es por eso que el tipo de motor de corriente directa que se usará es el

usado para los parabrisas de los automóviles llamados “wiper” los cuales tienen de

características de tener alto torque y el eje del motor trae integrado un mecanismo

de sinfín acoplado a un engrane helicoidal lo cual hace que cuando se quiera

detener el sistema se le corte la energía al motor y el mecanismo de sinfín lo haga

irreversible o por lo menos lo hace difícil de mover de su posición actual como se

muestra en la figura 38, y al contrario del motor a pasos este aspecto es sin

consumo de energía lo cual es beneficioso para el sistema.

Figura 38. Mecanismo interno de Wiper.

66

El motor de wiper es fabricado por xinhe motors y es usado en automóviles marca

Toyota® de todos los modelos; dicho motor genera una potencia de salida de 30

a 180 W con una velocidad de 10 a 300 revoluciones por minuto, trabaja con 12 o

24 V de corriente directa, pesa 1.1 kg, el torque nominal es de 5.2 N.m. y la

corriente que demanda con carga es de 4.5 A y sin carga de 1.4 A como se puede

observar en la figura 39.

Figura 39. Características de motor de corriente directa usado.

3.7 Etapa de potencia

Para proporcionarle la potencia necesaria para que el motor funcione se debe

implementar un circuito que reciba los pulsos del micro controlador y el voltaje

nominal con el cual se producira el giro y a la salida proporcione al motor, los

pulsos de la lógica con la potencia de la alimentación; comúnmente para esta

tarea se utilizan encapsulados de puente H o doble puente H sólo que se decidió

implementar una lógica con relevadores y así proporcionarle la potencia al motor.

Primeramente es necesario adecuar la señal que arroja el microcontrolador ya que

la corriente que éste proporciona es demasiada pequeña ya que se trata de una

señal lógica, es por eso que es necesario utilizar e transistor BC547 y conectar la

salida del pic a la base del transistor así mismo conectar el emisor a tierra y en el

colector colocar la bobina del relevador en anti paralelo con un diodo IN4001 así el

67

pulso enviado por el pic obtendrá la suficiente corriente para energizar la bobina y

hacer que el relevador cambie de posición como se muestra en la figura 40.

Figura 40. Paso de la señal del microcontrolador al relevador.

-Selección de la resistencia:

El modo más simple para activar un relé es con un transistor, generalmente del

tipo NPN. La corriente de excitación de un relé depende del tipo de relé.

Generalmente, cuando más grande es el relé, más corriente necesita. El otro

elemento que influye es la tensión de excitación. Si consideramos relés de

pequeñas dimensiones con contactos de salida en grado de conmutar corrientes

de 2 o 4 A. la corriente de excitación necesaria no va más allá de los 60 mA

(0,06A).

Para saber la corriente de excitación se debe de conocer la resistencia de la

bobina la cual se indica en la hoja de datos del relevador y la corriente se calcula

por ley de Ohm:

I = V / R (4)

68

En esta ocasión se cuenta con relé de 5V DC con una resistencia de la bobina de

100 Ω podemos calcular la corriente:

I = 5V / 100 Ω = 50 mA

Una corriente de 50 mA es demasiado elevada para conectar directamente un

dispositivo lógico (CMOS o TTL por ejemplo) y también para una salida de un

microprocesador. Por lo tanto es necesario agregar un transistor que pueda

manejar la corriente que el relé necesita. Si el transistor es del tipo NPN tenemos

la ventaja de poder usar relé de cualquier tensión no obstante el circuito lógico sea

de 5V, es decir, el transistor sirve también para adaptar los niveles de tensión.

Para calcular la resistencia de base usando el transistor BC547, el cual tiene una

ganancia estática (HFE) de 100 o más solo que para asegurar la saturación del

transistor se necesita de un submúltiplo de la ganancia de corriente. Por lo tanto,

para obtener la corriente de salida de 50mA necesaria, la corriente de entrada se

calcula igualmente por ley de ohm solo que considerando los parámetros

relacionados con el transistor y con la ecuación 5.

R=(voltaje−0.7)

corriente necesariahFe/2

(5)

El voltaje es la tensión que proporciona el pin del microcontrolador, normalmente 5

o 3,3 V. Se resta 0,7 V. porque es la caída de tensión típica entre la base y el

emisor de un transistor; la corriente necesaria es la corriente que consume el

circuito que queremos encender o apagar y el hFe es la ganancia de corriente

(current gain) que tiene el transistor (si hay varios valores elegir el más pequeño).

R=(5V−0.7V )50mA100/2

=4.3kΩ

Una vez que la señal del microcontrolador tiene la potencia necesaria y es capaz

de acciona el relevador se creó la lógica con relevadores, se usaron relevadores

69

de un polo dos tiros es decir con un común y un normalmente cerrado y un

normalmente abierto dicho relevador se acciona con 5 V y soporta hasta 10 A; la

lógica tiene como entrada dos señales es decir las dos salidas del pic, una de ellas

dice si habrá voltaje o no, y la otra proporcionara la dirección del giro del motor,

como se muestra en la tabla 4.

Tabla 4. Secuencias de la etapa de potencia

SALIDA DE PIC BITS GIRO

PORTB=0X00 0,0 DETENIDO

PORTB=0X02 1,0 IZQUIERDA

PORTB=0X03 1,1 DERECHA

Como se puede observar en la tabla 4 el primer bit es el del voltaje ya que cuando

existe un giro ese bit deberá de estar encendido y el segundo bit es el de la

dirección en 0 cuando es giro a la izquierda y 1 cuando es giro a la derecha.

El pin del voltaje está conectado a la bobina del primer relevador y el otro extremo

de la bobina está a tierra, el relevador normalmente abierto del mismo relevador

está conectado al voltaje de alimentación del motor y el normalmente cerrado está

conectado a tierra, así cuando el bit no está en uno el relevador mandará solo 0 V

y el motor no girará, de lo contrario cuando el bit esté en uno el relevador se

accionará y se conectará a voltaje proporcionándole la potencia al motor; el común

del primer relevador está conectado a normalmente abierto del relevador 3 y al

normalmente cerrado del relevador 2 así como el normalmente cerrado del

relevador 3 y el normalmente abierto del relevador 2 están conectados a tierra

esto para crear el cambio de polaridad y así se cree el cambio de dirección en el

giro del motor cuando un relevador vea tierra el otro vera voltaje y viceversa, las

dos bobinas de los relevadores 2 y 3 están conectadas al pin 2 es decir al de la

dirección de giro y los comunes de dichos relevadores están conectados a los

polos del motor de corriente directa; en las figuras 41, 42 y 43 se muestran las

simulaciones del sistema completo mostrando los giros del motor y el

accionamiento de relevadores.

70

Figura 41. Motor detenido por igualdad de luz en sensores.

Figura 42. Motor Girando a derecha por diferencia de señales.

71

Figura 43. Motor girando a izquierda por diferencia de señales.

3.8 Control de carga de la batería

Para que la betería siempre tenga un correcto funcionamiento y no tenga que ser

reemplazada posteriormente es necesario hacer un buen uso de ella, es por ello

que se debe de tener un control del voltaje de carga de la misma; se usó una

batería de 12 V a 4 Ah y colocándole otra en paralelo se aumentó a 12 V y 8 Ah.

El control tiene la finalidad de detectar cuándo el voltaje de batería está por debajo

de los 11 V y cuando éste esté rebasando los 12.8 V, dichos valores son los

óptimos de operación de la batería.

El voltaje nominal que entrega la batería es de 12 V; se usó un microcontrolador

para tomar la decisión de el nivel de voltaje introduciendo el voltaje por la entrada

analógica 0 (AN0) en el pin 2 del mismo, el pic acepta voltajes de 0 a 5 V por lo

que se implementó un divisor de voltaje de 13 a 5 V, se propuso una resistencia

de 1 kΩ a tierra y l otra resistencia según el diseño resultó de 1.6 kΩ para que a la

salida obtener 5 V en vez de 13 V; el programa de igual manera que el control de

72

seguimiento se realizó en Mikro C sólo tomando la entrada analógica y

comparándola con los valores limites de voltaje y tomando la decisión, el código se

encuentra en al apéndice B.

A la salida del microcontrolador se colocó un transistor para elevar la corriente ya

que la suministrada por el microcontrolador no es la suficiente para accionar el

relevador, también se colocó un diodo en anti paralelo con la bobina del relevador

por seguridad, el común del relevador se conectó a la alimentación del panel

fotovoltaico y el normalmente cerrado al positivo de la batería mientras que el

normalmente abierto a tierra, así cuando el microcontrolador esté mandando cero

es decir que el voltaje esté por debajo de los 11 V o por debajo de los 12.8 se

estará cargando la batería, mientras que cuando el microcontrolador envié 1 es

decir que le voltaje exceda los 12.8 el relevador cambiará de posición mandando

el voltaje del panel a tierra, esto se puede observar en las simulaciones de las

figuras 44 y 45.

Figura 44. Panel conectado a tierra.

73

Figura 45. Panel conectado a la batería.

3.9 Sistema mecánico y de soporte

Fue necesaria la construcción de la parte mecánica ya que el peso del panel

fotovoltaico es 12 kg y para sostener ese peso y además lograr que gire, es

necesario un soporte y un sistema que genere el movimiento del seguidor solar

fotovoltaico; cabe mencionar que la parte mecánica no es la parte fuerte del

proyecto sino el crear un sistema funcional que logre el objetivo cual se quiere

llegar pero al ser un proyecto que integra diversas disciplinas la parte mecánica

tiene igual importancia que la parte del control, que la del sensado o de la etapa

de potencia, solo que se omitió la parte de diseño y se construyo pensando en los

requerimientos del seguidor solar. Las partes en las cuales se divide la parte

mecánica consta de una estructura la cual soportara el peso del panel fotovoltaico

así como los diferentes componentes a usar, una transmisión que amplifique el

torque proporcionado por el motor, un sistema de cadenas para el posicionamiento

del ángulo de inclinación para las diferentes estaciones del año.

74

3.9.1 Soporte

Una parte muy importante dentro del diseño de la estructura mecánica es el

soporte de la misma ya que si éste se diseña débil y con mala distribución de

fuerzas todo el sistema se caería y no estaría en balance. Empezando por el

soporte de la parte inferior que es donde recae la mayoría del peso muerto y

donde afectan las fuerzas que están en las partes superiores del sistema; el

soporte es una especie de mesa donde su base superior es una placa metálica de

30 cm x 30 cm y el cuadro de base inferior es de 72 cm por lado con lo que se

logra que las torres del soporte tengan una inclinación de 85° para así asegurar

que el seguidor no se salga de desbalance y este estático siempre. En el centro de

la laca superior cuenta con un agujero de 10 cm de diámetro para que por ahí

salga el eje vertical a la parte superior como se muestra en la figura 46.

Figura 46. Soporte de estructura mecánica.

75

En la placa superior del soporte se colocará un balero capaz de soportar cargas

axiales dicho balero es capaz de soportar grandes cargas ya que en lugar de tener

balines como cualquier rodamiento, éste tiene engranes helicoidales que giran

contra una pared que tiene el dentado al contrario que la de los cuatro engranes

generando así el movimiento giratorio y asegurando la rigidez del giro sin el

desbalance. Sobre dicho rodamiento se colocará un disco de 18 cm de radio

sobre el cual se soldarán dos torres de 40 cm de alto donde recaerá el peso del

panel y sus respectivos pesos adicionales, bajo la placa superior descansa el peso

de la transmisión que se compone de el peso de los engranes, los ejes y los

rodamientos que soportarán a dichos ejes como se muestra en la figura 47.

Figura 47. Soporte para transmisión.

Sobre las dos torres que están sobre el disco se pusieron dos chumaceras que

serán los rodamientos para el eje horizontal. Se eligieron chumaceras ya que son

más fáciles de acoplar por sus orificios para atornillar y cuentan con pernos

prensores que mantienen sujeto el eje al interior del rodamiento como se puede

observar en la figura 48. Cabe mencionar que el extremo del eje horizontal está

anclado a la Catarina superior y el eje sobre el cual gira la catarina inferior está

76

anclado a la parte baja del disco anteriormente mencionado y así se acopla el

sistema de soporte con el de posicionamiento horizontal.

Figura 48. Eje horizontal con rodamientos.

Figura 49. Acoplamiento del eje con el panel.

77

Sobre el eje horizontal se soldaron dos placas perforadas sobre las cuales se

atornillarán dos mecanismos en forma de U para sobre ellos soldar la parrilla

sobre la cual se atornillará el panel solar como se muestra en la figura 49.

Y toda la estructura se encargará de soportar el peso del panel para que mientras

éste esté girando el sistema esté en balance, la función de los rodamientos es

permitir el libre movimiento de los ejes; cabe mencionar que toda la estructura está

hecha de acero menos el eje horizontal ya que está fabricado de aluminio; el

diseño de la estructura completa diseñada en SolidWorks® se puede observar en

la figura 50.

Figura 50. Estructura de seguidor solar.

78

3.9.2 Torque Necesario

Para conocer el torque necesario y hacer girar el eje vertical del seguidor solar

fotovoltaico se uso un torquímetro, este es usado para darle la fuerza exacta a los

pernos en el ensamblado de motores de combustión interna en automóviles, dicho

instrumento arrojó un resultado de 76 lb.in; cuando se midió el torque la estructura

estaba construida casi en su totalidad, solo no contaba con el tren de engranes, se

coloco el torquímetro en la parte inferior del eje vertical y se intento girar para

cuando el eje giro el torquímetro ya estaba registrando 76 lb.in

Figura 51. Medición de torque necesario.

Como se muestra en la figura 51 la estructura cuanta con todos sus componentes

es decir con el panel solar, con la parrilla que lo sostiene, el sistema de cadenas

con el posicionador de eje horizontal y el soporte, el torquímetro se coloco en la

parte inferior de la estructura ensamblándolo con el eje vertical que baja de la

base giratoria para asi conocer la magnitud del torque que se necesitara para

mover el sistema en su totalidad.

79

3.9.3 Transmisión de engranaje

La finalidad de la transmisión es aumentar el torque del motor y reducir la

velocidad ya que se requiere que el motor demande lo menos corriente posible

para asegurar que el sistema sea autónomo, y mientras más lento sea el giro más

precisión se obtendrá.

Inicialmente se cuenta con el dato de que el motor de corriente directa usado tiene

un torque de 46 lb·in como se puede apreciar ese torque es poco para mover el

panel junto con todos los elementos de la estructura que lo componen aunque

bastante de este peso recae en peso muerto debido a los rodamiento usados aun

así el momento de inercia que se debe de romper y el momento necesario para

hacer girar el sistema es grande; como ya se menciono le torque mínimo para

hacer girar el seguidor solar es 76 lb·in y con base al torque que se tenía en el

motor y al torque necesario para girar el sistema se construyó la relación de

engranes para la transmisión.

Para la construcción de la transmisión de utilizo ingeniería inversa y para la

obtención de los engranes se buscaron ejemplares que cumplieran con los

requerimientos, se eligió el juego de engranes que componen el sistema de

arranque de un automóvil chevrolet el piñón que contiene el motor de arranque y

la rueda dentada que tiene el cigüeñal originalmente este juego de engranes

tienen la tarea de aumentar considerablemente el torque, tarea que también

desempeñaran en el proyecto; las características de dichos engranes es que

ambos tienen paso diametral de 11 y el piñón tiene 9 dientes seguido de la rueda

dentada de 168 dientes; y de acuerdo al análisis que se mostrara se analizaron los

engranes para verificar que cumplieran con los requerimientos necesarios.

Primeramente se cuenta con un piñón ensamblado al eje del motor de 9 dientes

con un paso diametral de 11, el torque nominal del motor de cd es de 46.42 lb·in

lo cual es el torque inicial; es necesario calcular el diámetro del piñón con la

ecuación 6.

80

Dientesde piñon(N ¿¿P)=9Dientes¿

Dientes del engrane (N ¿¿ g)=168Dientes ¿

Pasodiametral ( pd)=11

angulo de inidencia de la fuerzaθ=20 °

τ Inicial=46.42 lb∈¿

τ necesario=76.380 lb∈¿

d=N p/Pd d=0.8181 (6)

Una vez calculado el diámetro del piñón es necesario calcular la fuerza que existe

entre el piñón y el engrane, la cual se obtiene con la ecuación 7 tomando como

torque inicial el del motor.

τ=F1( d2 )(7)

46.42=F1( 0.81812 )F1=113.48 lb

La fuerza que incide entre los dos engranes tiene componente en X y en Y solo

interesa la componente en X ya que es la que hace que el otro engrane gire, la

componente en Y es despreciable ya que es la que hace la deformación en el eje

secundario de la transmisión; por lo tanto multiplicaremos la fuerza por el coseno

del ángulo de incidencia para así calcular la componente en X.

FT=113.48 cos20 °=106.63 lb

La fuerza total es la que existe entre los dientes de los engranes, pero para

calcular el momento creado por dicha fuerza es necesario multiplicarla por el radio

81

del engrane y así se tendrá el torque en el centro de dicho engrane, usando de

nuevo la ecuación 4

d=N p/Pd d=168/11=15.27 in r=7.63 in

τ E g=106.63 lb¿

Al haber multiplicado el radio por la fuerza se obtiene el torque inicial secundario

que será el que contiene el segundo piñón y se repite el mismo procedimiento ya

que los engranes y piñones son exactamente iguales y tienen las mismas

características; solo que esta vez partiendo con el torque del segundo piñón.

τ Inicial2=814.26 lb·∈¿

τ=F2( pd2 )81426 lb·in=F2(

0.81812

)F2=1990.61lb

FT2=1990.61cos20=1870.56 lb

τ Final=1870.56 lb .¿

Reducción de velocidad= 168dientes9dientes

=(18.662 )=348.44

Como se puede observar en los cálculos el torque final obtenido es de 14272.4

lb.in muy por arriba del necesario y lo cual es de beneficio para el seguimiento, y

la reducción de velocidad que indica que cuando el piñón de 348 vueltas el

seguidor apenas dará una vuelta.

Según los datos del motor, este con carga consume 4.5 A; cuando se le coloco el

motor a la estructura sin transmisión este no logro mover la estructura ya que era

necesario demasiado torque, con la transmisión este solo consume 1.06 A en

plena carga lo cual nos habla de que se consume solo el 23.55 % de la capacidad

del motor.

82

Figura 52. Vista superior de transmisión de engranes.

Figura 53. Vista isométrica del transmisión de engranes

83

Figura 54. Lateral de transmisión de engranes.

3.9.4 Posicionamiento manual del eje horizontal

Como ya se mencionó anteriormente el sistema es solamente de un eje

automatizado (eje vertical) y el segundo eje de posicionamiento es decir el

horizontal es manual, esto porque solo es necesario cambiar su posición en

estaciones del año como en verano e invierno variando su ángulo de inclinación;

ya que es un eje manual se decidió crear un mecanismo sencillo y que facilite el

uso del mismo permitiendo el libre movimiento del eje sin tener la necesidad de

aplicar mucha fuerza para hacer el giro.

Se selecciono un mecanismo de cadena para realizar el giro desde una posición y

que este giro se traslade a otro punto además de aumentar el torque y reducir la

velocidad en el giro de la segunda Catarina; la primer Catarina que es donde se

aplicará el momento tiene 28 dientes y la segunda tiene 45 dientes es decir la

velocidad se reducirá 1.6 veces, al igual que con el eje vertical se midió el torque

requerido para realizar el giro en el eje horizontal con un torquímetro y en esta

84

ocasión el instrumento arrojó el valor de 52.08 lb.in por lo cual es necesario

colocarle un brazo de palanca para que sea más sencillo realizar le giro por lo cual

se le incorporó una palanca de 45 cm para así calcular la fuerza que se le tendría

que aplicar para poder girar el eje.

Tnecesario= 52.08 lb.in

d= p

sen(180 °N

) (8)

P=1.4 cm= 0.55 in

d1= 7.89 in d2 = 4.92 in

Al igual que en la transmisión de tren de engranes en esta ocasión también se

utilizo ingeniería inversa tomando ruedas dentadas comerciales de 45 y 28 dientes

con diámetros de 7.9 in y 4.91 in dichos datos concuerdan con los calculados y

son necesarios para el cálculo de la fuerza necesaria para mover el posicionador.

Una vez calculados los dos diametros de ambas catarinas se procede a realizar el

cálculo de las fuerzas, con la ecuación 9. Ya que el torque necesario es un

parámetro conocido y el diámetro también, nos resta calcular le fuerza tangencial

de la Catarina.

T=F.d (9)

52.08 lb.in =F1 (7.89 in)

F1= 52.08 lb.in/7.89 in = 6.61 lb

Teniendo la fuerza tangencial de la Catarina la trasladamos a la segunda Catarina

ya que la fuerza es la misma, ya teniendo el radio se calcula el torque en el centro

de la Catarina.

F1. d2=T 2

T 2=(6.61 lb)(4.92 in)= 32.47 lb.in 32.47 lb.in=F(17.71 in)

85

F=32.47 lb.in/ 17.71 in= 1.83 lbf.

1.83 lbf= 8.1402 N

Como se puede observar en los cálculos la fuerza necesaria para realizar el giro

del eje horizontal es de 8.1402 N una fuerza pequeña y de comodidad para el

usuario, esto debido al brazo de palanca que se le colocó y a la relación de

dientes de las catarinas, si se hubiera querido reducir más la fuerza a aplicar

bastaba con colocar un brazo de palanca mayor para el momento creciera y fuera

menos la fuerza requerida.

Como se muestra en la figura 55 se le colocó una placa en la misma zona del

sistema de cadena catarina ya que es necesario que la posición se sostenga en

donde se coloque ya sea para invierno, verano o el ángulo óptimo; para el ángulo

óptimo se busco la inclinación del panel de 27.48° el cual es la latitud de Cd.

Obregón, el ángulo para verano será de 42.48° es decir el ángulo óptimo mas 15°

esto ya que el sol se encuentra más arriba que de costumbre, y para invierno será

de 12.48°; y para sostener la posición se diseñó un sistema de resorte el cual está

dentro de un tubo y por el centro del resorte se introduce un pasador entonces

cuando el pasador es jalado el resorte de retrae y permite el movimiento de el

posicionador y cuando se suelta el pasador éste se incrusta en uno de los 3

agujeros para los ángulos de inclinación y el sistema en la inclinación deseada.

Figura 55. Mecanismo de posicionamiento para eje horizontal (Frontal).

86

Figura 56. Mecanismo de posicionamiento para eje horizontal (Isométrica).

3.9.4 Estabilidad

Después de realizar la construcción de la estructura y el diseño en SolidWorks®

se procedió a analizar si esta es estable ante las fuerzas que se le pudieran

aplicar por los diferentes flancos y desde diferentes posiciones; esto se puede

deducir mediante la obtención del centro de masa de la estructura en su totalidad,

primeramente se procedió a colocar el origen de referencia respecto al cual se

posicionará el centro de masa proporcionado por SolidWorks® dicho origen se

puede observar en la figura 57.

Una vez fijado el origen del sistema se procede a obtener el centro de masa el

cual se observa en coordenadas x,y,z y se puede observar en la figura 58.

87

Figura 57. Origen del Sistema

Figura 58. Centro de masa del sistema.

88

Como se puede observar en la figura 58 de acuerdo a las coordenadas el centro

de masa está un poco movido hacia el frente de la estructura y demasiado arriba

de ésta, también se puede observar la masa de la misma siendo de 62.91 kg. En

la figura 59,60 y 61 se puede observar gráficamente donde se encuentra el centro

de masa.

Figura 59. Centro de masa, vista angular

Figura 60. Centro de masa, vista lateral.

89

Figura 61. Centro de masa, vista trasera.

Después de haber visualizado el centro de masa se puede concluir que la

estructura es estable aún cuando el centro de gravedad en el eje y se encuentren

no se encuentre en el centro geométrico de la estructura al igual que el eje x. Sin

embargo se debe tener en cuenta esta información para no aplicar niveles de

fuerzas que sobrepasen (tanto de fuerza) y que vuelque el seguidor solar. En el

apéndice E se muestra la propuesta de un diseño estable más pequeño y con

menos peso que el implementado.

3.9.5 Estudio de fuerzas en SolidWorks®

Dos puntos de gran importancia dentro de las partes mecánicas del prototipo del

seguidor solar son el eje horizontal ya que ahí recae el peso del panel y la parrilla

que lo sujeta y además el otro elemento son las torres que sostienen el eje

horizontal ya que ahí se crea un momento por el mismo peso del panel

90

fotovoltaico; se analizo el eje horizontal en solidworks® aplicando fuerzas en

donde se colocara el panel fotovoltaico para observar cómo se deformara y

verificar el factor de seguridad del mismo como se puede observar en las figuras

62 y 63; de igual manera se analizaron las dos torres que sostienen el eje

horizontal los resultados del análisis se pueden observar en los apéndices C y D

respectivamente.

Figura 62. Deformación del eje horizontal.

Figura 63. Deformación de las torres de soporte.

91

Las pruebas de esfuerzo se realizaron específicamente a las dos piezas

mostradas anteriormente ya que son las criticas en el sistema, ya que el eje

horizontal soporta el peso del panel y de la parrilla que lo contiene y las dos torres

sostienen al eje horizontal junto con el peso que el conlleva son partes criticas que

con el tiempo o un exceso de fuerza aplicada podrían llegar a romper su límite

elástico.

En el caso del eje horizontal, es una pieza de aleación 1060 con un límite elástico

de 2.75742e+007 N/m2 y se le aplico una fuerza de 160 N debido al peso de el

panel junto con la parrilla, se aplico en dos puntos ya que el peso recae en donde

están colocados los soportes del panel, los resultados del análisis arrojo un

esfuerzo mínimo de 9670.6 N/m2 y un esfuerzo máximo de 3.02002e+006 N/m2;

con dichos esfuerzos se da un desplazamiento máximo de 0.02 mm provocándose

una deformación en la parte central del eje como se puede observar en la figura

59; siendo así el factor de seguridad mínimo de 9.13 y el máximo 2851.34, lo cual

nos habla de que la pieza está sobrada de su capacidad y si soportaría más peso

del que soporta actualmente.

En el análisis de las torres que sostienen el eje horizontal, se uso el material AISI

1020 con un límite elástico de 3.51571e+008 N/m2 y se le aplicaron fuerzas en la

parte superior de las torres con el ángulo de caída de el panel solar es decir en el

caso critico cuando el panel tiene una inclinación de 42°, el valor de la fuerza es

de 170 N, debido l peso del panel, parrilla, eje y chumaceras, el análisis arrojo un

esfuerzo mínimo de 17926.6 N/m2 y uno máximo de 1.12477e+008 N/m2 con dicho

es esfuerzos de da un desplazamiento máximo de 4.02 mm provocándose una

deformación hacia el frente de la estructura como se puede observar en la figura

60, siendo así el factor de seguridad mínimo de 3.12 y el máximo de 19611.7, lo

cual nos habla de un sobredimensionamiento en la fabricación de la pieza pero

esto nos asegura su durabilidad y si las fuerzas no se incrementan demasiado

estas no tenderán a fallar.

92

Capítulo 4Pruebas y resultados

Los resultados obtenidos se dividen en dos, la primer parte corresponden a la

implementación del prototipo desde la parte mecánica hasta el control y el correcto

funcionamiento del mismo, y la segunda parte es la comparación del sistema fijo

contra el sistema móvil.

4.1 Prototipo experimental

La estructura del seguidor solar funciona correctamente y cumple con los

requerimientos se fue construyendo paso a paso pensando primeramente en el

soporte y que fuera una estructura fuerte que soportara el peso del panel y la

transmisión, el soporte se diseñó en forma de mesa para aguantar las cargas

93

generadas en la parte superior y además proporcionar agarra al soporte de los

engranes como se muestra en la figura 64.

Figura 64. Soporte del seguidor solar.

Sobre la placa superior se colocó un balero que soportara cargas axiales para

sobre el colocar un disco y ahí las dos torres para sostener el panel, se le introdujo

el eje de la transmisión y al disco al mismo tiempo.

Sobre el disco giratorio se colocaron dos torres de contención donde se pusieron

dos chumaceras para que funcionaran como rodamientos para el eje horizontal.

A un costado de la estructura se colocó el sistema de movimiento para el eje

horizontal con un sistema de cadena Catarina y una palanca para reducir la fuerza

a transmitir como se muestra en la figura 65.

94

Figura 65. Posicionamiento para eje horizontal.

El sistema de transmisión fue diseñado para aumentar el torque y reducir la

velocidad como se muestra en la figura 66. Y el acoplamiento del motor se realizó

con un piñón del mismo paso diametral que los demás engranes, figura 67.

Figura 66. Montaje de motor con piñón.

95

Figura 67. Transmisión

El prototipo terminado y realizando el seguimiento solar se encuentra en la figura

68, el soporte con la transmisión cumplieron con los objetivos ya que el sistema

realizó el seguimiento correctamente el sistema de sensado generó la señal

adecuada para que el sistema de control tomara la decisión correcta y así el

actuador realizara el movimiento.

.

96

Figura 68. Prototipo de seguidor solar.

Sensores

Panel fotovoltaico

Control

Transmisión

Inversor

97

4.2 Pruebas

4.2.1 Sistema fijo

Una vez concluida la implementación de todo el prototipo, se procede a efectuar

cada una de las pruebas que ayudarán a determinar el perfecto funcionamiento

del sistema.

Antes de efectuar las pruebas con todo el sistema acoplado, se procedió a realizar

algunas mediciones correspondientes al funcionamiento del panel solar. Estas

mediciones ayudarán a determinar en el respectivo análisis de resultados, la

diferencia que existe en la captación de energía solar de un sistema fijo con

respecto a un sistema con seguimiento.

En la figura 69 se puede observar que el panel solar tiene una inclinación

aproximada de 42° en orientado hacia el sur, simulando que se encuentra ubicado

fijamente en el techo de una vivienda.

Figura 69. Panel inclinado a 42° hacia el sur.

98

Las mediciones se efectuaron en días y condiciones climáticas diferentes, con

cielo despejado, nublado y variado así como también fechas distintas para dichas

fechas fueron 15 de noviembre del 2013, 23 de noviembre y 25 de noviembre

respectivamente. Los valores de voltaje en terminales (Voc) y corriente de

cortocircuito (Ioc) del panel, se miden con intervalos de 30 min., con el fin de

determinar las variaciones que se presentan cuando ocurre un cambio en la

Incidencia de radiación solar. En las Tablas 5 y 6 se indican los valores de las

medidas realizadas, las mismas que se obtuvieron con un multímetro marca

FLUKE 87 V.

Tabla 5. Mediciones con panel fijo en día soleado

HORASOLEADO

VOC (V) ISC (A) Vbatt (V)

08:00 a.m. 19.9 1.79 11.18

08:30 a.m. 20 2.89 11.2

09:00 a.m. 20 3.63 11.23

09:30 a.m. 19.97 4.21 11.23

10:00 a.m. 19.3 4.65 11.26

10:30 a.m. 19.8 5.05 11.28

11:00 a.m. 19.8 5.32 11.31

11:30 a.m. 19.7 5.52 11.34

12:00 p.m. 19.8 5.58 11.37

12:30 p.m. 19.897 5.5 11.4

01:00 p.m. 19.798 5.3 11.42

01:30 p.m. 19.96 4.93 11.45

02:00 p.m. 19.982 4.55 11.67

02:30 p.m. 19.86 3.98 11.78

03:00 p.m. 19.76 3.05 11.86

03:30 p.m. 19.567 2.47 11.9

04:00 p.m. 19.589 1.69 11.98

04:30 p.m. 19.44 1.19 11.987

05:00 p.m. 19.456 1.05 12.02

05:30 p.m. 19.543 0.34 12.09

06:00 p.m. 19.23 0.16 12.1

99

Tabla 6. Mediciones con panel fijo en día nublado y variado.

HORANUBLADO VARIADO

VOC (V) ISC (A) Vbatt (V) VOC (V) ISC (A) Vbatt (V)

08:00 a.m. 17.8 0.8 11.05 17.98 0.81 11.12

08:30 a.m. 17.5 0.85 11,1 17.99 0.83 11.19

09:00 a.m. 17.9 0.86 11.12 17.97 0.98 11.27

09:30 a.m. 17.6 1.3 11.125 17.98 2.87 11.31

10:00 a.m. 18 1.8 11.2 18.2 2.96 11.32

10:30 a.m. 18.01 1.92 11.24 18.43 3.45 11.328

11:00 a.m. 18 1.98 11.27 18.51 5.45 11.34

11:30 a.m. 18.02 1.994 11.31 18.53 3.21 11.39

12:00 p.m. 18.3 2.1 11.32 18.71 2.87 11.45

12:30 p.m. 18.02 2.4 11.328 17.2 1.65 11.49

01:00 p.m. 17.98 2.3 11.34 17.89 2.64 11.523

01:30 p.m. 17.99 2.1 11.42 17.5 2.75 11.589

02:00 p.m. 17.97 1.98 11.465 18.42 2.21 11.6

02:30 p.m. 17.98 1.95 11.498 19.6 1.98 11.98

03:00 p.m. 17.87 1.95 11.51 18.67 1.86 11.61

03:30 p.m. 17.98 0.98 11.523 18.7 1.63 11.57

04:00 p.m. 17.84 0.87 11.589 17.32 1.58 11.59

04:30 p.m. 17.76 0.43 11.6 17.43 0.61 11.57

05:00 p.m. 17.87 0.12 11.98 17.65 0.23 11.58

05:30 p.m. 17.75 0.08 11.61 17.31 0.12 11.6

06:00 p.m. 17.7 0.02 11.6 17.52 0.02 11.61

Las curvas de voltaje mostradas en la Figura 70, indican que la mayor Incidencia de

Radiación Solar se tiene con cielo despejado, obteniendo como resultado que el

voltaje generado es más alto y estable. Además se puede indicar que a pesar de tener

100

cielo nublado o variado, siempre se captará la energía proveniente del sol, pero con

menor eficiencia.

Figura 70. Voltajes de circuito abierto con panel fijo.

Figura 71. Corrientes de corto circuito con panel fijo.

101

Figura 72. Voltajes de batería con panel fijo.

Como se puede observar en las figuras 70, 71 y 72 hay gran variación entre las

mediciones de un día nublado y un día soleado, el día variado registra resultados

de los dos anteriores ya que la radiación varia de un momento a otro; un punto

importante que cabe recalcar es la campana de la corriente de corto circuito en un

día soleado donde al amanecer los rayos no inciden directamente al panel por lo

que este genera una baja corriente y así ésta va incrementando conforme se

llegue al medio día que es cuando se registra la mayor lectura ya que el sol se

encuentra directamente al panel fotovoltaico esto se puede apreciar claramente en

la figura 70, en la figura 72 se puede observar que el voltaje de la pila va

elevándose conforme avanza el día y se registra un incremento en la pendiente de

la línea cuando llega el medio día, mientras que el voltaje de circuito abierto se

mantiene durante el día sólo que con diferentes valores dependiendo del clima.

102

4.2.2 Sistema con seguimiento solar.

Con el fin de comprobar el correcto funcionamiento del equipo, es necesario

efectuar algunas pruebas con el sistema completo. Esto servirá para obtener

mejores resultados cuando el equipo funcione con seguimiento del sol y

posicionamiento automático.

Para conocer la velocidad a la cual girará el sistema, se realiza el seguimiento

artificialmente con una lámpara primeramente posicionando el seguidor en un

ángulo de 0° y colocándole la luz al sensor de la izquierda para que así se

empiece el seguimiento. Con la ecuación 10 se reflejara la velocidad del sistema

debido al experimento realizado.

Grados girados= 180°

Tiempo transcurrido= 120 segundos

Velocidad=( gradossegundos )= 180 °

120 seg.=1.5 ° /seg (10)

Una vez culminada la prueba de posicionamiento, se realizan pruebas con

seguimiento solar automático.

La prueba consiste en obtener mediciones de la Corriente de Carga hacia el panel,

el voltaje del panel y voltaje de carga de la batería; las mediciones fueron tomadas

con intervalos de 30 minutos, en días y condiciones climáticas diferentes, con cielo

despejado, variado y nublado.

A continuación se han incluido en las tablas 7 y 8 los valores de las medidas

efectuadas.

103

Tabla 7. Mediciones con sistema de seguimiento en día soleado

HORASOLEADO

VOC (V) ISC (A) Vbatt (V)

08:00 a.m. 19.5 5.3 12

08:30 a.m. 19.76 5.4 12.1

09:00 a.m. 18.86 5.9 12.2

09:30 a.m. 19.97 5.8 12.25

10:00 a.m. 19.3 5.9 12.4

10:30 a.m. 19.8 5.91 12.54

11:00 a.m. 19.8 5.93 12.58

11:30 a.m. 19.98 5.95 12.58

12:00 p.m. 19.99 5.96 12.6

12:30 p.m. 19,97 5.96 12.63

01:00 p.m. 19.96 5.96 12.66

01:30 p.m. 19.99 5.95 12.69

02:00 p.m. 20 5.96 12.65

02:30 p.m. 19.87 5.93 12.64

03:00 p.m. 18.9 5.92 12.62

03:30 p.m. 18.9 5.93 12.62

04:00 p.m. 18.98 5.91 12.6

04:30 p.m. 18.97 5.76 12.6

05:00 p.m. 18.79 5.64 12.58

05:30 p.m. 18.65 5.5 12.55

06:00 p.m. 18.64 5.43 12.87

104

Tabla 8. Mediciones con sistema de seguimiento en día nublado y variado.

HORANUBLADO VARIADO

VOC (V) ISC (A) Vbatt (V) VOC (V) ISC (A) Vbatt (V)

08:00 a.m. 17.8 2.4 11.5 20 3.1 11.5

08:30 a.m. 17.5 2.43 11.56 19.97 5.3 11.51

09:00 a.m. 17.9 2.51 11.55 19.6 5.4 11.53

09:30 a.m. 18.02 2.67 11.56 19.6 5.9 11.53

10:00 a.m. 17.98 2.68 11.59 19.5 2.45 11.53

10:30 a.m. 17.99 2.69 11.61 19.45 2.89 11.59

11:00 a.m. 17.97 3 11.63 19.54 4.2 11.61

11:30 a.m. 18.02 3.02 11.7 19.43 4.5 11.63

12:00 p.m. 18.3 3.01 11.8 19.32 5.91 11.65

12:30 p.m. 18.02 3.2 11.9 18.9 5.96 11.7

01:00 p.m. 17.98 3 11.92 19.4 4.1 11.82

01:30 p.m. 17.99 2.99 11.93 19.32 4 11.85

02:00 p.m. 17.97 2.97 11.91 19.5 3.89 11.91

02:30 p.m. 17.98 2.95 11.94 20 3.41 11.95

03:00 p.m. 17.87 2.91 11.98 20 2.78 11.96

03:30 p.m. 17.98 2.31 11.98 19.32 3.45 11.98

04:00 p.m. 17.84 2.3 12 18.4 3.2 11.95

04:30 p.m. 17.76 2.29 12.05 18.02 2.13 11.92

05:00 p.m. 17.87 2.24 12 17.98 2.4 11.92

05:30 p.m. 17.75 2.15 11.9 17.99 2.12 11.88

06:00 p.m. 17.7 2 11.8 17.97 2.15 11.85

Se tomaron los resultados de las tablas y se graficaron para apreciar mejor el

comportamiento de las corrientes y voltajes, los resultados se pueden observar en

las figuras 73, 74 y 75.

105

Figura 73. Voltajes de circuito abierto con sistema de seguimiento.

Figura 74. Corrientes de corto circuito con sistema de seguimiento.

106

Figura 75. Voltajes de batería con sistema de seguimiento.

Como se puede observar en las figuras 73, 74 y 75 igualmente que con el sistema

fijo los valores de voltaje y corriente varían de acuerdo al clima sólo que ahora se

tiene control sobre la incidencia de rayos solares sobre el panel; un dato

importante que cabe recalcar es la corriente de corto circuito que se puede

observar en la figura 73, se elimino la campana que se tenía en el sistema fijo y la

corriente se mantiene casi constante proporcionándonos mayor eficiencia, el

voltaje de la batería aumenta de manera uniforme por la misma condición

mencionada anteriormente de la corriente de corto circuito. Mientras que el voltaje

de circuito abierto del panel se mantiene la mayor parte del tiempo entre los 19 y

los 20 V.

107

5.2.2.1 Consumo de energía por el sistema de seguimiento

El sistema de seguimiento consta de cuatro partes esencialmente las cuales son el

circuito de sensado, el circuito de control, la etapa de potencia y por último el

motor, este último es el etapa que demandara más corriente durante el

funcionamiento.

Se tomó todo el sistema de seguimiento como una caja negra y se midió la

corriente entregada por la batería a este, así como también el voltaje para así

conocer la potencia, el consumo de corriente se puede observar en la figura 76.

Figura 76. Corriente consumida por el sistema de seguimiento.

Como se puede observar en la figura 76 cuando el motor no está funcionando es

decir cuando el panel fotovoltaico está apuntando directamente al sol la corriente

consumida es de 0.08 A ya que es la consumida solo por la circuitería del control y

el sensado, más sin embargo cuando se detecta la diferencia de potencial entre

los dos sensores y el motor empieza a girar se detecta un pico de corriente de

1.37 A y luego ésta se estabiliza en 1.06 A hasta que se deja de mover el sistema,

dicho pico de corriente existe debido a que al romper la inercia el motor necesita

más corriente y ya que éste tiene cierta velocidad ésta se estabiliza.

108

Se estuvo monitoreando el consumo de energía durante todo el día y en promedio

el sistema de seguimiento estaba estático durante 7.5 minutos y seguía al sol

durante 2 segundos esto también se puede observar en la figura 76. Teniendo la

corriente consumida y el voltaje se precedió a calcular la energía con la ecuación

11.

P= I*V (11)

Primero para el estado en reposo se tiene que la corriente consumida es de 0.08 A

y el voltaje entregado por la batería es en promedio de 12 V por lo tanto:

P= (12 V)*(0.08 A)= 0.96 W.

En estado de reposo el sistema permanece en promedio 2.5 minutos por lo tanto

la energía consumida se calcula con la ecuación 9:

E=P*T (12)

Donde ya se conoce la potencia y el tiempo que duro este consumo por lo tanto la

energía consumida en estado de reposo es:

E= (0.96 W)(7.5 min)= 7.2 watt minuto

Lo que es igual a: E= 0.12 W/h

Para el sistema con seguimiento se realiza el mismo procedimiento solo que esta

vez con una corriente de 1.37 A y un tiempo de 0.2 segundos para el pico de

corriente y para la corriente normalizada se tomara 1.06 A y un tiempo de 1.8

segundos.

-Con pico de corriente:

P= (12V)*(1.37 A)= 16.44 W

E= (16.44 W)*( 0.2 seg)=3.288 W/s

Lo que es igual a: E= 0.000913 W/h

109

-Con corriente normalizada:

P= (12 V)*(1.06)=12.72 W

E= (12.72 W)*(1.8 seg)=22.89 W/s

Lo que es igual a: E= 0.00636 W/h

4.2.2.2 Conexión al inversor

Se conectó un circuito inversor previamente fabricado a la batería de 12 V; cabe

mencionar que el inversor recibe a la entrada 12 V y entrega a la salida 120 V rms.

La conexión implementada se puede observar en la figura 77.

Figura 77. Conexión de inversor.

Se realizaron pruebas con diferentes cargas de corriente alterna, primeramente se

probó con un foco de 25 W después con una laptop y finalmente con un abanico,

los resultados de mediciones sin conectarle carga el inversor se pueden observar

en la tabla 9.

110

Tabla 9. Parámetros con inversor sin carga.

PARAMETRO VALOR

IPV 5.8 A

I p 0.55 A

I s 1.06 A

I ba 4.19 A

Los resultados obtenidos en la tabla 9 fueron tomados en el instante en que se

estaba realizando el seguimiento solar para así tomar el punto crítico de consumo

de energía.

-Pruebas con foco de 25 W:

Se le conectó la carga al inversor, se midió voltaje de la carga así como su

corriente y los resultados obtenidos fueron los siguientes:

Tabla 10. Parámetros tomados con un foco de 25 W.

PARAMETRO VALOR

IPV 5.8 A

I p 2.34 A

I s 1.06 A

I ba 4.19 A

I L 0.43 A

V L 114.3 V

111

Figura 78. Seguidor conectado a inversor y foco.

Figura 79. Carga conectada.

112

-Pruebas con laptop:

Se conectó una laptop LENOVO al inversor con el sistema de seguimiento

funcionando y los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 11.

Tabla 11. Parámetros con laptop conectada.

PARAMETRO VALORIPV 5.8 AI p 2.55 AI s 1.06 AI ba 4.19 AI L 1.5 AV L 116.7 V

Figura 80. Laptop conectada al inversor.

113

Figura 81. Seguidor solar con carga conectada (Laptop).

-Prueba con abanico:

Se conectó una laptop LENOVO al inversor con el sistema de seguimiento

funcionando y los resultados obtenidos se pueden observar en la tabla 12.

114

Tabla 12. Parámetros con abanico conectado a inversor.

PARAMETRO VALORIPV 5.8 AI p 2.4 AI s 1.06 AI ba 4.19 AI L 0.57 AV L 117.2 V

Figura 82. Abanico conectado al inversor.

115

4.2.2.3 Error de seguimiento

Como se dio a conocer en la sección de la etapa de sensado el error con respecto

al eje de acimut es de 2.56° ya que es necesario que le sol gire 2.56° para que el

seguidor gire y realice el seguimiento, con respecto a la inclinación el error varia

en relación a la hora del día ya que el seguidor solar cuenta con un posicionador

de 3 posiciones, las pruebas se realizaron en invierno por lo que el panel tendrá

una inclinación de 42° y respecto a esta inclinación se calculó el error.

Tabla 13. Ángulo de error y corrientes con y sin error.

HORA CA CO ÁNGULO ISC (con error) ISC (sin error)

08:00 a.m. 20 cm. 4.5 12.68° 5.3 5.9

08:30 a.m. 20 cm. 4.3 12.13° 5.4 5.932

09:00 a.m. 20 cm. 4 11.3° 5.9 5.943

09:30 a.m. 20 cm. 3.6 10.2° 5.8 5.945

10:00 a.m. 20 cm. 3.2 9.09° 5.9 5.948

10:30 a.m. 20 cm. 2 5.79° 5.91 5.95

11:00 a.m. 20 cm. 1.4 4 ° 5.93 5.96

11:30 a.m. 20 cm. 0.3 0.85° 5.95 5.963

12:00 p.m. 20 cm. 0.01 0.02° 5.96 5.966

12:30 p.m. 20 cm. 0.09 0.25° 5.96 5.966

01:00 p.m. 20 cm. 0.09 0.25° 5.96 5.965

01:30 p.m. 20 cm. 0.78 2.23° 5.95 5.964

02:00 p.m. 20 cm. 1.1 3.14° 5.96 5.963

02:30 p.m. 20 cm. 1.7 4.85° 5.93 5.963

03:00 p.m. 20 cm. 2.1 5.99° 5.92 5.962

03:30 p.m. 20 cm. 2.5 7.12° 5.93 5.96

04:00 p.m. 20 cm. 2.8 7.96° 5.91 5.957

04:30 p.m. 20 cm. 3.1 8.81° 5.76 5.952

05:00 p.m. 20 cm. 3.5 9.92° 5.64 5.941

05:30 p.m. 20 cm. 4.1 11.58° 5.5 5.92

06:00 p.m. 20 cm. 4.7 13.22° 5.43 5.9

El proceso de medición de error se realizó de la misma manera que con el error de

ángulo acimut se colocó una barrera de 20 cm de alto de forma perpendicular a la

116

superficie del panel y se medía la sombra que daba la barrera en el panel y así

con trigonometría se formaba un triangulo rectángulo y con trigonometria se

calculó en ángulo de incidencia de los rayos solares.

El modelo trigonométrico involucra al cateto adyacente como la barrera y al cateto

puesto como la medida de la sombra sobre el panel y así con la tangente inversa

del cateto opuesto sobre el adyacente se obtiene el ángulo de error, idóneamente

si el ángulo es cero significa que los rayos solares llegan perpendiculares al panel

fotovoltaico.

Se tomaron mediciones cada media hora, primero se midió la corriente de corto

circuito luego se colocaba el panel de tal manera que el ángulo de error fuera cero

y se media de nuevo la corriente de corto circuito para así tener noción de cuanto

afecta el error en el desempeño del panel fotovoltaico. Como se puede observar

en la tabla 13 la variación de corriente está en el rango de 0.6 amperes durante las

primeras horas de sol y acercándose el medio día ésta se hace casi nula ya que el

error es casi cero.

Para la determinación del error previamente se investigaron los métodos que

existen para saber si se está apuntando directamente al sol, en busca de un

instrumento que nos diera con exactitud el parámetro y tomar eso como

referencia, sólo que los resultados de la investigación fueron mecanismos de

sensores parecidos al que se utilizó en este trabajo es decir estaban referenciados

a instrumentos manufacturados por los mismos investigadores, es por eso que se

optó por la utilización del mismo mecanismo con el que se realizo el seguimiento

solo que esta vez acoplado para medir el ángulo de inclinación.

4.3 Análisis de resultados

117

Como se pudo observar en la presentación de resultados, se alcanzaron los

objetivos y los logros obtenidos fueron satisfactorios; empezando por la

comparación de el sistema fijo contra el móvil el punto clave de dicha comparación

son las corrientes de corto circuito donde en el sistema fijo se puede apreciar una

campana que empezaba a elevarse durante el inicio del día y llegaba a su punto

máximo en medio día y a partir de ahí empezaba el decremento hasta llegar a su

punto mínimo al culminar el día, mientras que con el sistema de seguimiento solar

se elimina la campana y la corriente de corto circuito se mantiene constante la

mayor parte del día solo teniendo decrementos mínimos en el inicio y el fin del

mismo como se puede observar en la figura 80.

Figura 83. ISC fijo contra ISC con seguimiento.

Como ya se mencionó existe error dentro del seguimiento debido a que solo se

cuenta con un solo eje automatizado y el otro manual y el hecho de que sea

118

manual limita el seguimiento durante el día de la inclinación del panel fotovoltaico,

pero según las pruebas realizadas el ángulo de error de inclinación fluctúa entre

los cero grados en medio día y los 12.5 grados en amanecer y anochecer con

dichas variaciones la corriente de corto circuito sufre cambios de entre los 0.01 y

los 0.6 A según sea la hora del día; y cabe mencionar que el hecho de que se

pierda 0.6 amperes en el peor de los casos no es razón para colocar el segundo

eje automatizado para la inclinación ya que esto implicaría un mayor costo, un

rediseño en la estructura y además se consumiría potencia por el segundo motor y

la circuitería que esto implica.

La grafica en términos de energía se muestra en la figura 84 donde se observa la

energía generada por el sistema con seguimiento, sin seguimiento y cuanta

energía consume el seguidor solar.

Figura 84. Obtención y consumo de energía.

Como se puede observar en la figura 84 la energía que se consume es poca

comparada con la energía que se produce con un sistema de seguimiento y aun

119

se puede observar la campana que se obtiene con la energía que produce un

sistema fotovoltaico fijo.

4.3.1 Recuperación de la inversión

Para conocer el tiempo de recuperación de la inversión realizada en el sistema de

seguimiento solar primeramente es necesario conocer dos parámetros, el primero

es cual fue el costo total de los componentes del sistema y el segundo es conocer

cuanta energía genera el panel solar y cuanta energía consume el sistema de

seguimiento para así conocer cuánto se generó y restar cuanto se gastó y conocer

un estimado de tiempo de cuánto tiempo llevara el recuperar el capital invertido.

4.3.1.1 Costos

El costo total del prototipo se desglosa en distintas secciones la parte del control

es la más económica ya que sus componentes son de bajo costo, la parte

mecánica es una de las más costosas ya que incluye el maquinado de los

engranes de la transmisión así como el material de el soporte, las chumaceras y

las partes móviles y la parte más costosa fue el panel fotovoltaico siendo este la

parte central del proyecto, los precios se pueden observar en la tabla 14.

Tabla 14. Costos del prototipo.

Los precios mostrados en la tabla 14 ya incluyen la cantidad de los materiales es

decir por ejemplo el precio que aparece en los sensores corresponde a los dos

120

sensores utilizados, cabe mencionar que dichos precios pueden variar

dependiendo del lugar donde se adquiera el producto pero los precios se

encuentran alrededor de los números mostrados.

4.3.1.2 Energía generada

La energía generada por el panel fotovoltaico acoplado al sistema de seguimiento

solar se muestra en la tabla 15, se tomó la corriente de corto circuito tomada en un

día soleado y el voltaje de circuito abierto ambos con un factor de 80% para tomar

así la corriente y el voltaje del panel fotovoltaico; se multiplicaron ambos y se

obtuvo la potencia, se verificó la potencia generada cada hora para así obtener la

energía y conocer en su totalidad la energía generada en un día entero de

seguimiento solar.

Tabla 15. Energía generada con sistema de seguimiento.

121

Tabla 16. Energía generada por el sistema fijo.

La tabla 16 muestra la energía generada por el sistema fotovoltaico fijo se siguió la

misma metodología que con el sistema móvil multiplicando la corriente y el voltaje

por un factor de 80%, si se comparan las dos tablas se puede observar que el

sistema móvil produce casi el doble de energía que el sistema fijo; pero para

conocer la energía real adquirida es necesario considerar la energía que consume

el sistema de seguimiento.

Anteriormente se mostró el consumo de energía del seguidor, se llegó al resultado

que existen tres fases siendo estas cuando el sistema está en reposo y el

consumo de potencia es de 0.96 W, cundo se empieza el giro se produce un pico

de corriente consumiendo una potencia de 16.44 W y cuando está girando pero

estabilizado se consumen 12.72 W.

122

Para conocer la energía consumida es necesario conocer el tiempo que se duro

consumiendo la potencia obtenida anteriormente; el consumo en estado inactivo

se da en periodos de 7.5 minutos mientras que el consumo del pico de corriente

se da durante 0.2 segundos y el de giro estable durante 1.8 segundos; teniendo la

potencia consumida y los tiempos se puede obtener la energía consumida, solo

multiplicando la potencia por el tiempo que dura dicho consumo; cabe mencionar

que en promedio cada periodo de consumo de repetía 7.8 veces a lo largo de una

hora; es decir en una hora el sistema está en reposo durante 58.5 minutos, el pico

de corriente se presenta 1.56 segundos y el giro estable se presenta durante 14.4

segundos, así obtenemos que la energía consumida a lo largo de una hora es de

0.93 W/h en reposo, 0.0071 W/h en pico de corriente y 0.0508 W/h en giro estable,

y sumando las tres energías resulta un total de 1.4451 W/h; por lo que en un día

se consumiría 14.45 W/h debido a las 10 horas de actividad del seguidos solar.

Para conocer la energía generada real es necesario restar la energía generada

por el panel la energía que se consume por el sistema de seguimiento; la energía

generada por el panel es de 726.19 W/h mientras que la consumida es de 14.45

W/h lo cual nos da una energía real obtenida de 711.74 W/h al día,

consumiéndose así solo el 2% de la energía que se genera.

Hoy en día el precio de kW/h es de 2.98 pesos según datos proporcionados de

CFE por lo que al día se estaría generando un total de 2.12 pesos por día lo que

nos habla un total de 773.8 pesos al año y en conclusión la inversión de 8554

pesos se recuperaría en 11 años tomando en cuenta que sólo se está usando un

panel fotovoltaico.

Para un sistema fijo solo se cuenta con la inversión del panel fotovoltaico y la

energía generada por día del sistema fijo es de 404 kW/h por lo tanto el tiempo de

recuperación de la inversión es de 13.5 años.

Para conocer el tiempo de retorno de la inversión pero solo del sistema de

seguimiento sin tomar en cuenta el panel fotovoltaico, se usa la energía que se

123

genera de más es decir solo el 40% excedente (323 kW/h), es decir el tiempo de

retorno de la inversión del sistema de seguimiento es de 7 años.

Si se le colocaran tres paneles la energía generada al día seria de 2181 kW/h y

suponiendo que la energía consumida se duplique es decir que se consuman 28

W/h al día; la inversión también aumentaría a 20500 pesos y el retorno de la

inversión seria en 8 años.

ConclusionesUna vez culminado el proyecto, de los resultados obtenidos se puede concluir lo

siguiente:

El presente trabajo muestra los aspectos correspondientes al diseño y

construcción de un sistema de seguimiento solar en un eje (Este-Oeste), cuyos

objetivos planteados al inicio del proyecto fueron cumplidos.

Se logra realizar el diseño y la construcción del seguidor solar de un eje con

elementos mecánicos y componentes electrónicos accesibles en el mercado local.

Se demostró que mediante un seguidor solar, el panel fotovoltaico obtiene la

máxima captación de energía durante todo el día, lo cual se comprobó con las

mediciones de la corriente de corto circuito con panel fijo y con seguimiento.

Se puede aseverar que el sistema de seguimiento solar mejora los rendimientos

energéticos y económicos de un consumidor final.

El circuito de control puede controlar un panel más grande, únicamente se debe

verificar que el peso del panel no sobrepase el Torque para el cual está

dimensionado el motor y el sistema.

El sistema tiene una mayor sensibilidad y respuesta al encontrarse expuesto a la

incidencia de una luz artificial; es decir, el panel responde ante ligeros cambios de

posición de la fuente luminosa incidente.

El programa desarrollado para el control del equipo, también cumple con los

objetivos planteados como es el de realizar el seguimiento de una fuente luminosa

de tal manera que ubique al panel en una posición perpendicular a esta fuente

incidente

125

El prototipo fue construido con materiales que se tenían al alcance poniendo a

prueba el ingenio y logrando cumplir los objetivos ante las adversidades

económicas.

El seguidor solar fotovoltaico tiene un error de 2.6° en el ángulo de acimut y un

error en la inclinación que varía desde 0.02° hasta los 12.6° siendo este mayor

durante la mañana y el atardecer y disminuyendo en medio día.

El retorno de la inversión es dentro de 11 años, pero tomando en cuenta que solo

se cuenta con un panel fotovoltaico mientras mayor numero de paneles el tiempo

de retorno seria menor.

Las partes críticas de la estructura tienen un factor de seguridad elevado siendo

para el eje horizontal de 9.3 y para las torres de soporte de 3.4, es decir está

sobredimensionado pero a su vez es más seguro.

Un sistema de seguimiento solar, genera 40% más energía que un sistema fijo y el

consumo del sistema de seguimiento es mínimo, y aunque es costoso y el tiempo

de recuperación es elevado, a largo plazo es una buena inversión.

126

Trabajos futuros-Construir el prototipo mostrado en el apéndice E ya que este es de mayor

estabilidad que el fabricado, es más pequeño y por consiguiente más económico.

-Analizar el sistema de seguimiento colocando más de un panel fotovoltaico,

analizar el tiempo de retorno de la inversión, verificar la energía generada y

cuando consume el sistema de seguimiento ante más carga y además ver el

comportamiento mecánico del sistema ante más peso.

-Diseñar el segundo eje automatizado para verificar la factibilidad de tener dos

ejes automatizados o reafirmar la idea de la preferencia por solo un eje.

-Diseñar el control de tal manera de que cuando los sensores envíen un bajo nivel

de voltaje, es decir, que el clima este nublado, el seguidor fotovoltaico permanezca

en su posición sin moverse y al final del día este gire durante cierto tiempo para

que al amanecer uno de los sensores capte la luz solar y vuelva a su recorrido

diario.

-Comparar el diseño utilizando el puente H L6302 o L298N para realizar la

comparación de rendimiento entre la lógica con relevadores y un puente H.

127

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128

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Dimensionado de Instalaciones de Energía Solar Fotovoltaica, Segunda Edición, AMV

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129

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27.- Fitzgerald, A. E., Kingsley, C., Milanés, J., & Navarro Salas, R. (1992). Electric

machinery. Máquinas eléctricas/.

130

APÉNDICES

131

Apéndice A

Código de seguidor solar

#include <built_in.h>

unsigned int adc_rd;

unsigned int sensor1, sensor2;

float y, x, a, b ;

void amanecer_nublado();

void seguimiento();

void main()

char cont=0;

ANSEL = 0x07; // Configurar AN1, AN2 y AN0 como pines analógico

TRISA = 0xFF; // PORTA se configura como entrada

ANSELH = 0; // Configurar los demás pines AN como E/S digitales

TRISC = 0xFF; // se configura el puerto C como entrada digital

TRISB = 0; // PORTB se configura como salida

PORTB=0; //PORTB se inicializa en cero

do

sensor1= ADC_Read(2); // Obtener el resultado de 10 bits de la conversión AD

sensor2=ADC_Read(1); // Obtener el resultado de 10 bits de la conversión AD

x=(float)sensor1-sensor2; //se restan las dos señales y se guardan en x(float)

y=(x/1024)*5; //se convierte el valor digital a valor de voltaje

a=0.15; // se inicializa limite superior de hiteresis

b=-0.15; //se inicializa limite inferior de interesis

if((sensor1<716)&&(sensor2<716))

amanecer_nublado();

else if((sensor1>716)&&(sensor2>716))

seguimiento();

132

while(1); // Quedarse en el bucle

void amanecer_nublado()

if (PORTC.b0==0)

PORTB=0x02;

else if(PORTC.b0==1)

PORTB=0x00;

void seguimiento()

if ((b<y)&&(y<a)) //se comprueba que el valor no este dentro de la histesis

PORTB=0x00;

else if (b>y) // si el valor es mayor que el limite superior de histeresis

PORTB=0x02;

else if (a<y) //si el valor esta por debajo del limite inferior de histeresis

PORTB=0x03;

133

Apéndice B

Código de cargador de batería

#include <built_in.h>

unsigned int adc_rd;

unsigned int sensor1, sensor2, sensor0;

float y, x, a, b, amanecer,amanecer1;

void giro_der();

void giro_izq();

void main()

char cont=0;

ANSEL = 0x07; // Configurar AN1, AN2 y AN0 como pines analógico

TRISA = 0xFF; // PORTA se configura como entrada

ANSELH = 0; // Configurar los demás pines AN como E/S digitales

TRISC = 0x3F; // Pines RC7 y RC6 se configuran como salidas

TRISB = 0; // PORTB se configura como salida

PORTB=0; //PORTB se inicializa en cero

do

sensor0=ADC_Read(0); // Obtener el resultado de 10 bits de la conversión AD

amanecer=(float)sensor0;

amanecer1=(amanecer/1024)*5;

if(amanecer1>4.75)

PORTB=0x01;

delay_ms(100);

else if (amanecer1<3.846) //se comprueba que el valor no

este dentro de la histesis

PORTB=0x00;

134

delay_ms(100);

while(1); // Quedarse en el bucle

135

Apéndice C

Análisis de eje horizontal

-Información de modelo

Se analizo en el software SolidWorks® el eje horizontal, arrojando los siguientes

resultados.

Figura 85. Análisis de eje horizontal en SolidWorks.

Tabla 17. Características de la pieza.

Eje horizontal Características de pieza

Masa:1.83512 kg

Volumen:0.000679675 m^3

Densidad:2700 kg/m^3

Peso:17.9842 N

136

En la figura 85 se puede observar la apariencia de la pieza antes de que se

aplicaran las fuerzas y en la tabla 15 se observan las características de la pieza,

proporcionándonos la masa, el volumen, la densidad y el peso de la misma.

-Información del material

Tabla 18. Propiedades del material.

Eje horizontal Propiedades de material

Nombre: Aleación 1060

Tipo de modelo: Isotrópico elástico

lineal

Criterio de error : Tensión máxima von

Mises

Límite elástico: 2.75742e+007 N/m^2

Límite de tracción: 6.89356e+007 N/m^2

La tabla 18 muestra las propiedades del material, se uso la aleación de aluminio

1060 y en la tabla se muestra el límite elástico y el límite de tracción los cuales son

los que determinaran el esfuerzo que se tendrá en el análisis.

-Fuerzas y sujeciones

En la tabla 19 se muestran las cargas y sujeciones que se introdujeron al software

como se puede observar en la imagen presentada en la tabla las sujeciones están

en los extremos del eje, y las fuerzas en las caras planas que es donde descansan

los soportes, el valor de la fuerza es de 160 N y depende del peso del panel y de

la parrilla que lo soporta.

137

Tabla 19. Cargas y sujeciones.

Eje horizontal Cargas aplicadas

Entidades: 2 cara(s)

Tipo: Aplicar fuerza

normal

Valor: 160 N

-Resultados del estudio

En la figura 86 se puede observa la deformación de la pieza con la zona critica en

color rojo ahí es donde se producirá la mayor deformación y en la figura 87 se

observa el eje horizontal después de aplicarle las cargas.

Figura 86. Zona critica de la pieza.

138

Figura 87. Pieza deformada.

En la tabla 20 se muestran los resultados del estudio en SolidWorks® como

resultado se obtiene el esfuerzo, el desplazamiento y el factor de seguridad y se

especifica el máximo y el mínimo de cada resultado.

Tabla 20. Resultados del estudio.

Nombre Tipo Mínimo Máximo

Esfuerzo VON: Tensión de von

Mises

9670.6 N/m^2

Nodo: 9602

3.02002e+006 N/m^2

Nodo: 8830

Desplazamiento URES:

Desplazamiento

resultante

0 mm

Nodo: 1

0.0286056 mm

Nodo: 438

Factor de seguridad Tensión de von Mises

máx.

9.13047

Nodo: 8830

2851.34

Nodo: 9602

139

Apéndice D

Análisis de torres de soporte

-Información de modelo

Se analizo en el software SolidWorks® las torres de soporte, arrojando los

siguientes resultados.

Figura 88. Análisis de torres de soporte en SolidWorks.

Tabla 21. Características de la pieza.

Torres de soporte Características de pieza

Masa:17.7055 kg

Volumen:0.00224121 m^3

Densidad:7900 kg/m^3

Peso:173.514 N

140

En la figura 88 se puede observar la apariencia de la pieza antes de que se

aplicaran las fuerzas y en la tabla 21 se observan las características de la pieza,

proporcionándonos la masa, el volumen, la densidad y el peso de la misma.

-Información del material

Tabla 22. Propiedades del material.

Torres de soporte Propiedades de material

Nombre: AISI 1020

Tipo de modelo: Isotrópico

elástico lineal

Criterio de error

predeterminado:

Tensión máxima

de von Mises

Límite elástico: 3.51571e+008

N/m^2

Límite de

tracción:

4.20507e+008

N/m^2

La tabla 22 muestra las propiedades del material, se uso la aleación de aluminio

1060 y en la tabla se muestra el límite elástico y el límite de tracción los cuales son

los que determinaran el esfuerzo que se tendrá en el análisis.

-Fuerzas y sujeciones

En la tabla 23 se muestran las cargas y sujeciones que se introdujeron al software

como se puede observar en la imagen presentada en la tabla las sujeciones están

en los extremos del eje, y las fuerzas en las caras planas que es donde descansan

141

los soportes, el valor de la fuerza es de 170 N y depende del peso del panel y de

la parrilla que lo soporta.

Tabla 23. Cargas y sujeciones.

Torres de soporte Cargas aplicadas

Entidades: 4 cara(s)

Tipo: Aplicar fuerza

normal

Valor: 170 N

-Resultados del estudio

En la figura 89 se puede observa la deformación de la pieza con la zona critica en

color rojo ahí es donde se producirá la mayor deformación y en la figura 90 se

observan las torres después de aplicarle las cargas.

Figura 89. Zona critica de la pieza.

142

Figura 90. Pieza deformada.

En la tabla 24 se muestran los resultados del estudio en SolidWorks® como

resultado se obtiene el esfuerzo, el desplazamiento y el factor de seguridad y se

especifica el máximo y el mínimo de cada resultado.

Tabla 24. Resultados del estudio.

Nombre Tipo Mínimo Máximo

Esfuerzo VON: Tensión de von

Mises

17926.6 N/m^2

Nodo: 1190

1.12477e+008 N/m^2

Nodo: 14610

Desplazamiento URES:

Desplazamiento

resultante

0 mm

Nodo: 1

4.02041 mm

Nodo: 2140

Factor de seguridad Tensión de von Mises

máx.

3.12572

Nodo: 14610

19611.7

Nodo: 1190

143

Apéndice E

Propuesta de prototipo estable

El prototipo con el cual se hicieron las pruebas fue como ya se mencionó

anteriormente es susceptible de inestabilidades debido a que su centro de masa

se encuentra demasiado fuera de lugar, es decir si se le aplicaba una fuerza

demasiado fuerte por la parte trasera este tendería a caerse de frente; es por eso

que se propone un nuevo prototipo el cual es más estable debido a que su centro

de masa se encuentra más estable y además se redujo su tamaño y por

consiguiente su precio y si peso; los cambios realizados en el prototipo fueron que

se cortaron las dos torres que sostenían al eje horizontal pasando de medir 50 cm

a 15 cm, además se hizo más pequeño ya que los ángulos de soporte que median

1.2 m se recortaron a 70 cm reduciendo así el especio ocupado por el sistema;

con el cambio en las torres se logró que el momento creado por la caída del panel

fotovoltaico con cierto ángulo se disminuyera ya que a menor distancia o brazo de

palanca el momento disminuye; otro cambio fue que se removieron los soportes

de la parrilla y el panel, dejando solo dos barras para que la parrilla descanse

sobre ellas con esto se movió el centro de masa hacia el centro. En la figura 91 se

muestra el sistema de coordenadas de referencia a partir del cual se darán las

coordenadas del centro de masa.

Figura 91. Sistema de referencia.

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En la Figura 92 se pueden observar la localización del centro de masa así como

las propiedades físicas de la nueva propuesta de prototipo.

Figura 92. Nuevo centro de masa.

Como se puede observar en la figura 92 y comparándola con en centro de masa

mostrado en el apartado de estabilidad del sistema, en esta ocasión este se

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posicionó mas al centro del sistema y sobre todo se bajo para así evitar que este

tuviera una caída, en conclusión este es más estable que la propuesta anterior, un

factor que influía en gran parte en la inestabilidad del sistema anterior es la caída

que propiciaba el panel fotovoltaico ya que este tiene cierta inclinación, por lo tanto

se recortaron los soportes y se acercó más al eje horizontal reduciendo así el

momento creado por la inclinación del panel fotovoltaico. En la figura 93 se

muestra la vista lateral y en la figura 84 la vista trasera para apreciar de mejor

manera el posicionamiento del nuevo centro de masa.

Figura 93. Vista lateral del nuevo centro de masa.

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Figura 94. Vista trasera de nuevo centro de masa.