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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE SEGUIDOR SOLAR PARA LA OPTIMIZACION DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
Presentado por: Diana Carolina Bastos Guerrero – 1161169 1161169 Dionel Ropero Torres – 1161132 1161132
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA ELECTRONICA SAN JOSE DE CUCUTA 23 JUNIO DE 2018 i
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DISEÑO E IMPLEMENTACION DE UN PROTOTIPO DE SEGUIDOR SOLAR PARA LA OPTIMIZACION DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO
Presentado por: Diana Carolina Bastos Guerrero – 1161169 1161169 Dionel Ropero Torres – 1161132 1161132
Presentado a: Ing. Andrés Páez.
UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA ELECTRONICA SAN JOSE DE CUCUTA 23 JUNIO DE 2018 ii
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TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCION ........................................................................................................................ 8 ............................................................................ ........................ 9 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ....................................................
2. JUSTIFICACION .................................................................................................. ............................................. ................................................................... .............. 10 2.1. BENEFICIO ECONOMICO .......................................................................................... 10 2.2 BENEFICIO ECOLOGICO ............................................................................................ 11 2.3 TECNOLOGICO ............................................................................................................. 11 3. TIPOS DE PROYECTO ..................................................... ..................................................................................................... ................................................ 12 3.1 TIPO DE PROYECTO ..................................................................................................... ..................................................... ................................................ 12 3.2 ALCANCES ....................................................................................................... .................................................. ................................................................... .............. 12 4. LIMITACIONES Y DELIMITACIONES ......................................................................... ................................................. ...................... 13 4.1 LIMITACIONES .............................................................................................................. 13 4.2 DELIMITACIONES .................................................................................................... ................................................ ......................................................... ..... 13 5. OBJETIVOS ........................................................................................................................ 14 5.1 OBJETIVO GENERAL ................................................................................................... 14 5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS .......................................................................................... 14 6. ETAPAS DEL PROYECYO .............................................................................................. 15 6.1 INVESTIGACION ................................................... ....................................................................................................... ......................................................... ..... 15 ................................................ 15 6.2 SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS A UTILIZAR ................................................ iii
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6.3 DISEÑO DE LA PARTE ELECTRÓNICA ....................................................... ................................................................... ............ 15 6.4 DISEÑO DE LA PARTE MECÁNICA .......................................................................... 15 6.5 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA .......................................................................... .................................................... ...................... 15 ..................................................... ........................................ 16 6.6 PRUEBAS DEL SISTEMA ...............................................................................................
6.7 EVALUACION DE RESULTADOS ............................................................................... ................................................ ............................... 16 7. MARCO REFERENCIAL.................................................................................................. 17 7.1 ANTECEDENTES ............................................................................................................ 17 7.2 REFERENCIAS TEORICAS .......................................................................................... 17 7.2.1 CONCEPTOS BASICOS ............................................................................................ .................................................. ........................................ 17 7.2.1.1 MOVIENTO SOLAR .............................................................................................. ...................................................... ........................................ 17 7.3 MARCO TEORICO ......................................................................................................... 21 7.3.1 SEGUIDORES SOLARES ........................................................................................ 21 7.3.2 PANELES SOLARES ................................................................................................ ............................................... ................................................. 23 7.3.3 TARJETA Y SOFTWARE ARDUINO ..................................................................... ....................................................... ............ 26 7.3.4 SERVOMOTOR. ........................................................................................................ ........................................................ ................................................ 28 8. METODOLOGIA .................................................................................................. ............................................. ................................................................... .............. 30 8.1 RECOPILAR INFORMACIÓN SOBRE EL ANÁLISIS DE LA RADIACIÓN SOLAR EN EL TRANSCURSO DEL DÍA Y TIPOS TI POS DE SEGUIDORES SOLARES. ...... 30 8.1.1 IDENTIFICACIÓN DE BASES DE DATOS. ......................................................... 30
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8.1.2 SELECCIÓN DE INFORMACIÓN NECESARIA PARA EL DESARROLLO DEL PROYECTO. .............................................................................................................. 30 8.1.3 REALIZAR CONSULTAS A PERSONAL DOCENTE PARA MIRAR LA VIABILIDAD DEL PROYECTO ...................................................................................... .............................................. ........................................ 34 8.2 SELECCIONAR LOS COMPONENTES DEL SISTEMA DE SEGUIDOR SOLAR. ................................................................................................................................................... 34
8.2.1 SELECCIÓN DE TARJETA PROGRAMABLE DE ADQUISICIÓN DE DATOS ............................................................................................................................................... 35
8.2.2 SELECCIÓN DE MOTOR IDEAL PARA REALIZACIÓN DEL PROYECTO. ............................................................................................................................................... 39
8.3 DISEÑAR E IMPLEMENTAR UN PROTOTIPO DE SEGUIDOR SOLAR S OLAR DE DOS EJES PARA UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. ................................................................ 44 8.3.1 DISEÑO DE LA PROGRAMACIÓN EN EL SOFTWARE ARDUINO. ............ 45 8.4 EFECTUAR PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA SEGUIDOR SOLAR ..................................................................................................................................... ..................................................................................................................................... 49 9. CONCLUSIONES ............................................................................................................... 51 10.
TRABAJOS FUTUROS .................................................................................................. ................................................. ................................................. 52
ANEXOS ....................................................................................................... ................................................. ..................................................................................... ............................... 53 ANEXO 1: CÓDIGO DE PROGRAMACIÓN DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN DE DATOS ARDUINO UNO................................................................................................. 53 BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................... 56
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LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Muestra de radiación solar en Colombia Colomb ia por algunas regiones region es medida en kWh/m2 ...... 33 Tabla 2. Modelo de matriz de selección ....................................................................................... 35 Tabla 3. Comparación de entradas y salidas ddee las tarjetas de adquisición de datos .................... 36 Tabla 4Comparación de precios de las tarjetas de adquisición de datos ...................................... 36 Tabla 5. Comparación con el lenguaje de programación de las tarjetas de adquisición de datos. 37 Tabla 6. Comparación con el tamaño de las tarjetas de adquisición de datos. ............................. 37 Tabla 7. Comparación con la velocidad de las tarjetas de adquisición de datos. ......................... 38 Tabla 8. Matriz de comparación de resultados para la elección de la tarjeta de adquisición de datos. ............................................................................................................................................. 39 Tabla 9. Comparación de voltaje de alimentación de los servomotores a elegir. ......................... 40 Tabla 10. Comparación de velocidad de operación de los servomotores a elegir. ....................... 40 Tabla 11. Comparación de los tipos de piñón de d e los servomotores a elegir ................................. 41 Tabla 12. Comparación de los precios de los servomotores a elegir. ........................................... 42 Tabla 13. Comparación del ángulo de rotación de los servomotores a elegir. ............................. 42 Tabla 14. Matriz de selección de servomotor. .............................................................................. 43
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LISTA DE FIGURAS
Ilustración 1. Mapa de radiación global (tomada de meteorologiaenred). ................................... 18 Ilustración 2. Movimiento diurno de La Tierra (tomado de Fresno.pntic.mec.es) ....................... 19 Ilustración 3. Ilustración gráfica se Cénit y Nadir con respecto a un observador ........................ 20 Ilustración 4. Movimiento de translación trans lación de la tierra. ((Tomado Tomado de durangomas.mx durangomas.mx)) .................. 21 Ilustración 5. Modelo de seguidor solar de uunn eje (tomado de energizar.org) .............................. 22 Ilustración 6. Modelo de sistema mecánico de un seguidor solar a dos ejes. ............................... 23 Ilustración 7. Descripción del precio de las celdas fotovoltaicas a través de los años ................. 24 Ilustración 8. Muestra de celdas fotovoltaicas policristalinas y monocristalinas ......................... 26 Ilustración 9. Modelo de placa de arduino uno. (Tomado de blog.arduino.cc) ............................ 27 Ilustración 10. Motor en DC (Tomado de didacticaselectronicas.com) ....................................... 28 Ilustración 11. Modelo de servomotor. (Tomado de panamahitek.com) ...................................... 29 Ilustración 12. Sistema fotovoltaico de 2.8 KW, instalado por el antiguo ICEL (Instituto Colombiano de Energía Eléctrica, hoy IPSE) en la venturosa, vichada, suministra 120 Volts AC ....................................................................................................................................................... 32 Ilustración 13. Mapa de Colombia con índices de radiación con sus respectivos valores............ 33 Ilustración 14. Circuito analógico del Diseño............................................................................... 45 Ilustración 15. Arduino Uno [15].................................................................................................. 46 Ilustración 16. Foto Resistencia, LDR [16] .................................................................................. 47
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INTRODUCCION
A lo largo de la historia se puede observar como las personas quieren llegar al desarrollo de nuevas tecnologías y/o evolución de las mismas, el uso de energías comunes has llevado que nuestro mundo se vea afectado y deteriorado progresivamente; el hombre en su necesidad de cuidar La Tierra, este planeta que sirve como hogar, ha buscado alternativas para transformar esta energía, muchas empresas encargadas de buscar alternativas con respecto al sistema energético, se formula la utilidad de energía solar fotovoltaica para ser energía renovable que cuide el medio ambiento. Solo usar paneles solares como tipo de energía ener gía alternativa no basta para calmar la problemática que se presenta en el medio ambiente, se necesitan nuevas estrategias para absorber la mayor cantidad de energía posible y hacer de dichos sistemas, fuentes viables y sostenibles en el medio. Se propone diseñar un prototipo de seguidor solar para optimizar un sistema solar fotovoltaico para no solo tomar la energía solar por medio de los paneles, sino poder garantizar una eficiencia más alta al hacer que dicho componente logre hacer más eficiente el sistema en general con el fin de que se pueda realizar mayor absorción de energía y hacer ser más efectivo el componente electrónico ayudando a dar respuesta a la problemática energética y ambiental vivida en nuestro planeta.
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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Innovar en el uso de las energías renovables dejando a un lado las energías fósiles es una de las alternativas que nos ofrece el mundo, pero, esta ideología solo debe tomarse para el futuro sino como parte del presente; una de estas fuentes f uentes de energías renovables es la l a energía solar fotovoltaica en la que por medio de uno o varios paneles solares se transforma la radiación solar en energía eléctrica, pero existen algunas limitantes para la máxima eficiencia de extracción de la radiación. Al instalar un panel solar de manera fija, dicho panel no podrá suministrar su mayor rendimiento debido a la rotación y traslación del planeta Tierra Tierr a con respecto al sol. El rendimiento de un panel solar se genera cuando los rayos del sol son perpendiculares a la superficie. A medida que pasan las horas el Angulo entre el panel y el sol variará progresivamente en donde solo a unas pocas horas el panel tendrá su mayor rendimiento y en las demás horas la producción de energías empieza a disminuir considerablemente que puede llegar entre los 20% y 30%. Esta caída se debe al hecho de que los paneles solares se ven afectado a la luz no perpendicular, la luz solar durante la mayor parte del día. Estos paneles produjeran cierta energía fotovoltaica, pero en menos medida que los paneles orientados de manera perpendicular a los rayos del sol. Dado lo anterior ¿podría un sistema móvil aumentar la eficiencia de la celda fotovoltaica?
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2. JUSTIFICACION
Cada día (23 horas, 56 minutos, 4 segundos), la Tierra da una vuelta completa alrededor de un eje ideal que pasa por los polos, esta gira en dirección Oeste-Este, en sentido directo el cual es contrario a las agujas del reloj, dando la impresión que el cielo está girando alrededor de nuestro planeta. Existen dos formas fundamentales para optimizar la energía obtenida de una instalación de paneles solares, una consiste en hacer mejoras en los componentes fotovoltaicos y llaa otra forma es aumentar la cantidad de radiación solar recibida por el panel solar. Un sistema seguidor activo es aquel que usa motores eléctricos, brazos mecánicos, tornillos, engranajes, etc., dominados con un circuito eléctrico, al hacer el diseño e instalación de dicho sistema en una o más celdas fotovoltaicas nos daría seguridad sobre una mejor eficiencia de extracción de energía de los paneles solares, ya que esta herramienta permitiría que el panel siga la ruta de radiación solar mediante unas fotorresistencias, ayudando a que los rayos incidan en lo posible en un ángulo de 90° con el fin de obtener obten er menos perdida de energía.
2.1. BENEFICIO ECONOMICO Al hacer alguna instalación de algún prototipo de un seguidor solar, se contribuiría al ahorro económico ya que con este solo necesita de una inversión inicial debido a que la vida útil de los paneles solares puede pued e variar de entr entree los 20 y 25 años. En don donde de este sistema será s erá autosuficiente, no generaría costos adicionales a excepción del mantenimiento preventivo o correctivo si fuese necesario
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2.2 BENEFICIO ECOLOGICO Salvar la tierra es también uno de los beneficios más atractivos de la utilización de la energía solar. Mediante el uso de la energía renovable, podemos producir menos Dióxido de Carbono (CO2) y produciendo así la causa del calentamiento global.
2.3 TECNOLOGICO Los avances tecnológicos han hecho un gran aporte a la mejora del medio ambiente haciendo el uso de las energías solar como fuente de energía inagotable. Los paneles solares de un solo eje no ofrecen el 100% de un rendimiento, al implementar una base de dos ejes a este sistema tendrá como beneficio un mayor rendimiento de captación de energía provocando una mejor productividad del sistema.
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3. TIPOS DE PROYECTO
3.1 TIPO DE PROYECTO Investigación aplica sobre un diseño experimental con aplicación de conocimiento y utilización del método científico.
3.2 ALCANCES Los alcances relevantes del proyecto son: Preservación del medio ambiente con el uso de energías renovables
Diseño e implementación del prototipo seguidor solar de dos ejes
Siendo que el sistema no está dirigido hacia una población o cubriendo una necesidad en
específico, este sistema puede ser implementado a gran escala para cualquier tipo de necesidad o planta energética
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4. LIMITACIONES Y DELIMITACIONES
4.1 LIMITACIONES
Los aspectos que podrían afectar el desarrollo de las actividades son: No contar con los recursos necesarios para la compra de los implementos para el montaje
del proyecto No cumplir con cada uno de los objetivos propuestos para la instalación del proyecto, tales
como no contar con los equipos y material para realizar dicho montaje. No contar con los conocimientos pertinentes para la ejecución del proyecto en su totalidad
El proyecto está limitado a un lapso de tiempo de 3 meses
La ejecución del proyecto está basado en el diseño y la implementación del prototipo
seguidor solar de dos ejes, sin contar con la fuente energética como lo son los paneles solares.
4.2 DELIMITACIONES
Este proyecto no ha sido dirigido a un lugar o tipo de población en específico, por lo tanto no se puede delimitar con respecto a los entes de terreno, más sin embargo se limita a que este proyecto es simplemente un prototipo a pequeña escala de lo que puede ser en realidad un proyecto de producción en masa.
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5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un prototipo de un sistema de seguidor solar óptimo para el mayor rendimiento de una planta solar fotovoltaica.
5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Recopilar información sobre el análisis de la radiación solar en el transcurso del día y tipos
de seguidores solares. Seleccionar los componentes del sistema de seguidor solar.
par a un sistema fotovoltaico. Diseñar e implementar un prototipo de seguir solar de dos ejes para
Efectuar pruebas de funcionamiento del sistema seguidor solar.
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6. ETAPAS DEL PROYECYO
6.1 INVESTIGACION Para poder realizar el proyecto se hace una breve profundización acerca de los tipos de paneles solares y el uso de ellos, estudiar el movimiento solar durante el día, caracterizado a que ángulo el panel solar tendrá su mayor eficiencia.
6.2 SELECCIÓN DE LOS DISPOSITIVOS A UTILIZAR En esta sección se caracteriza y seleccionan cuales materiales como: sensores, dispositivos electrónicos y dispositivos mecánicos, son los ideales idea les en cuanto a su uso eficiencia y rentabilidad.
6.3 DISEÑO DE LA PARTE ELECTRÓNICA Se diseña un circuito clave en el cual estará reflejado el funcionamiento de la parte electrónica del proyecto, además se realiza el código a efectuar efectua r mediante una tarjeta programable seleccionada para el desarrollo del proyecto.
6.4 DISEÑO DE LA PARTE MECÁNICA Se plantea un bosquejo de la estructura del seguidor solar de acuerdo a los materiales mecánicos seleccionados, en donde se ordenarán y agruparán los diferentes elementos a utilizar según su utilidad
6.5 IMPLEMENTACION DEL SISTEMA Se hace una implementación en físico de la estructura del sistema siguiendo los diseños de la parte mecánica y electrónica.
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6.6 PRUEBAS DEL SISTEMA Se realizan pruebas del funcionamiento al sistema ya implementado con el fin de poder analizar las pruebas pertinentes.
6.7 EVALUACION DE RESULTADOS De acuerdo a los resultados obtenidos en las pruebas del sistema, se realiza una evaluación de resultados con el fin de hacerle mejoras para una mayor eficiencia.
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7. MARCO REFERENCIAL
7.1 ANTECEDENTES TITULO: “IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR EN DOS EJES PARA EL SISTEMA FOTOVOLTAICO DE LA ESCUELA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA UES”
AUTOR: Domingo Heriberto Gutiérrez y Víctor Eulises Rivera Chávez. (2012) Esta tesis está enfocada en establecer comparaciones entre la energía producida por un sistema fotovoltaico fijo orientado hacia el sur, a 14° de inclinación y ubicado en San Salvador; con un sistema de igual capacidad, pero con seguidor solar. [1].
TITULO: “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA LA OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO”
AUTOR: Andrés Escobar Mejía, Mauricio Holguín Londoño y Juan Carlos Osorio. (2010) El trabajo se enfoca en la segunda metodología, para esto se busca que el área del panel fotovoltaico permanezca en posición perpendicular a la radiación lumínica de la fuente de luz, lo cual se logra mediante un algoritmo programado en un microcontrolador Motorola. [2]
7.2 REFERENCIAS TEORICAS 7.2.1 CONCEPTOS BASICOS 7.2.1.1 MOVIENTO SOLAR Para dar mejor comprensión a lo que abarca este proyecto se ve la necesidad que el lector conozca, pueda interpretar correctamente y comprenda las definiciones básicas y propias de los temas a evaluar como por qué se hace necesario tener claro el concepto de las energías renovables,
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el movimiento rotacional y los ángulos de referencia de la Tierra, la eficiencia que un panel solar puede ofrecer y la aplicación tecnológica al unir áreas á reas electrónicas con mecánicas. La energía solar es aquella energía renovable la cual se basa en el aprovechamiento de la radiación electromagnética proveniente del sol, esta es una de las energías más puras, renovables, inagotables y limpias que nos pueden generar ayuda para solucionar el problema energético que afronta la humanidad y el planeta; la captación de energía solar se tiene de manera activa generalmente mediante componentes llamados paneles solares o paneles fotovoltaicos. La organización meteorológica mundial estableció una radiación promedio de 1365 W/ 2 [3] un número significativo para que se perdiera dicha radiación por esto se propone en el mundo entero aplicar sistemas fotovoltaicos que son captadores activos de la radiación solas en la tierra, en la figura 1 se puede observar un mapa global de la radiacion en el planeta Tierra.
Ilustración 1. Mapa de radiación global (tomada de meteorologiaenred).
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La tierra tiene algo llamado moviento diurno lo cual consiste en el movimiento aparente de los astros para un observador sobre la superficie de la tierra debido a la rotacion del solido planeta respecto a su propio eje, La Tierra produce un giro de Oeste a Este por lo cual los cuerpos celestes son vistos en moviemiento de Este a Oeste [4], este movimiento diurno nos permite tener nuestro sistema me medida horario con respecto al movimiento percibido del sol dependiento del ángulo, una muestra de este movimiento se podrá observar en la figura 2.
Ilustración 2. Movimiento diurno de La Tierra (tomado de Fresno.pntic.mec.es)
Cénit es un concepto que se utiliza en la astronomía y que permite nombrar el punto en el que
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se interceptan la vertical de un espacio con la esfera celeste. Se trata del punto más elevado en el cielo el cielo por por sobre quien observa, a 90 grados de su cabeza. La vertical de dicho lugar, de este modo, divide a la esfera celeste en dos puntos: el cenit (también conocido como cénit o zenit) es el punto que se halla justo por encima del individuo. En otras palabras, al prolongar el el radio radio terrestre del lugar donde se sitúa la persona que observa en ambas direcciones, el cenit cortaría la esfera celeste en dos puntos. Así como el cenit es el punto que está
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sobre el observador, el punto opuesto recibe el nombre de nadir. El nadir, por lo tanto, se encuentra bajo dicha recta hipotética (debajo de los pies del observador) obs ervador)”. [5]
Ilustración 3. Ilustración gráfica se Cénit y Nadir con respecto a un observador (Tomado de defición.de)
La Tierra además de su movimiento normal sobre su propio eje, el cual hace la marcación de los días y noches, esta, también hace un movimiento alrededor del sol, este movimiento marca al planeta los años, dicho movimiento lleva el nombre de translación tr anslación y el cual tiene una duración ddee 365 días 6 horas 9 minutos y 9,7632 segundos. Aunque se puede creer que el movimiento de la tierra al sol es un movimiento circular, hoy se puede decir que esta teoría es falta siendo que el movimiento es en forma elíptica, y esta gira en una órbita establecida la cual es conocida como plano orbital, la Tierra lleva una velocidad promedio de 67000 kilómetros por hora mientras da la vuelta al sol en su totalidad. [6]. Este movimiento junto con el efecto producido por la inclinación en su propio eje de rotación es lo que le da el lugar a la tierra a formar lo que hoy conocemos como las estaciones.
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Ilustración 4. Movimiento de translación de la tierra. (Tomado de durangomas.mx)
7.3 MARCO TEORICO 7.3.1 SEGUIDORES SOLARES Los seguidores solares son dispositivos que combinan parte mecánica con la parte electrinca, los cuales son capaces de orientar a los paneles solares de forma que estos permanezcan el mayor tiempo posible con los rayos perpendiculares a los rayos del sol, siguiendo al sol desde que los rayos de este aparezcan desde el oriente hasta que estos mismos se oculten por el ocaso. Los seguidores solares se dividen en varios tipos que serán descritos a continuacion:
Seguidor solar en dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular al sol. Existen de dos tipos:
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Monoposte: un único apoyo central.
Carrousel: varios apoyos distribuidos a lo largo de una superficie circular.
o
o
Seguidor solar en un eje polar: la 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 15° por hora, como la del reloj.
Seguidor solar en un eje azimutal: la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo 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. La velocidad de giro es variable a lo largo del día.
Seguidor solar un eje horizontal: la superficie gira en 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. [7]
Ilustración 5. Modelo de seguidor solar de un eje (tomado de energizar.org) energizar.org)
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Ilustración 6. Modelo de sistema mecánico de un seguidor solar a dos ejes.
7.3.2 PANELES SOLARES Los paneles solares son dispositivos que funcionan como captadores de radiación solar para que a través de su composición interna este pueda hacer una transformación de esta radiación o energía solar y logre hacer una ttransformación ransformación a la energía eléctrica, dichos paneles han pasado por un proceso de evolución desde su existencia hasta ahora evolucionando en mejoras de eficiencia del panel y disminución del costo del componente desde que fue creado hasta ahora, “Allá por el año 2003, una panel solar costaba unos 4,5 d ólares por vatio, y una instalación solar
llave en mano era difícil que costase menos de 10 dólares el vatio. Estos sistemas no eran competitivos económicamente con la generación tradicional, y por eso eran subvencionados en mayor o menor medida por la instituciones públicas.” [8] En la figura se podrá observar una gráfica describiendo el valor del precio a través de los años.
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Ilustración 7. Descripción del precio de las celdas fotovoltaicas a través de los años (Tomado de forococheselectricos.com) forococheselectricos.com) “A parte de reducir los costos de la producción relativamente complicada y especializada, el
reto más importante es aumentar la eficiencia. Existe una competencia sana entre instituciones científicas internacionales. En los laboratorios se lograron eficiencias de más de 45%. La gráfica muestra este proceso (fuente National Renewable Energy Laboratory, NREL). Lamentablemente faltan años, hasta que estos productos de mejor eficiencias sean disponibles comercialmente a precios aceptables. Para celdas de un elemento, William Shockley y Hans Queisser Queiss er determinaron que teóricamente se puede convertir un máximo de 33.7% de la energía solar en electricidad. Para lograr más, hay que usar celdas combinadas de varias capas o de concentración. Para silicio, el elemento más usado, este límite es de 29%. Para el uso común se usan paneles de silicio por su alta fiabilidad a precios razonables. Paneles de celdas monocristalinas son las más eficientes, seguidas por las policristalinas. Mientras los
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mejores paneles monocristalinas superan ligeramente el 20%, la mayoría de los paneles en producción hoy captan alrededor del 16% de la energía disponible de la luz. Los paneles amorfos y otros de capa fina pocas veces superan el 10%. Para usos especiales (por ejemplo satélites y el Mars Rover) se producen módulos de arseniuro de galio (GaAs) que alcanzan alcanz an una eficiencia de 30% o unir varios elementos en células fotovoltaicas multifunción, superando 45% en laboratorios” [9]
La eficiencia de los diferentes tipos de instalaciones de los paneles solares puede variar por varios factores como por ejemplo uno u no de estos factores es el material de la placa ya que se pueden encontrar generalmente de 3 materiales semiconductores como lo son: silicio, germanio y Arseniuro de galio, el tipo de placa o panel solar que se utilice, las placas solares más usadas actualmente se dividen en tres categorías, monocristalinas, policristalinas y amorfas de las cuales se verán reflejadas unas breves descripciones de cada uno de ellos a continuación:
Células monocristalinas: están formadas por un único tipo de cristal de silicio, del cual se ha controlado el crecimiento para que solo se formara en una dirección, consiguiendo un alineamiento bastante perfecto de todos los componentes del cristal. Son las placas más difíciles de producir pero también las que mejor rendimiento tienen.
Células policristalinas: son las que han sido obtenidas a partir de un cristal de silicio del cual no ha sido controlado su crecimiento. De esta forma el cristal crece en todas direcciones creando un conjunto de cristales diferentes unidos entre sí. Es menos eficiente y menos costosa que la anterior.
Células amorfas: se producen cuando el silicio no cristaliza y se deposita sobre un sustrato o capa fina. Son más fáciles de ensamblar y producir en masa pero su eficiencia es menor que la de las células monocristalinas y policristalinas. [10]
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Ilustración 8. Muestra de celdas fotovoltaicas policristalinas y monocristalinas (Tomado de tecnosolab.com) tecnosolab.com)
7.3.3 TARJETA Y SOFTWARE ARDUINO Hay muchos dispositivos microcontroladores y plataformas microcontroladoras disponibles para computación computa ción física, todas las herramientas to toman man los datos o los procesos pr ocesos de programación de estos dispositivos que en muchas ocasiones suelen ser bastante complejos de entender, dichas plataformas unen la información y las encierran en un solo paquete fácil de usar. Arduino es una de estas plataformas la cual simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, que ofrece algunas ventajas a los estudiantes, unas de ellas serán descritas a continuación:
Economía: las tarjetas o placas de arduino son relativamente económicas en comparación con las otras alternativas o plataformas microcontroladoras. La versión más económica de este módulo puede varias entre loa 10000 y 15000 pesos colombianos.
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Multiplataforma: El software de arduino está diseñado para ser ejecutado en cualquier dispositivo con sistema operativo Windows, Macintosh OSX, OSX, y GNU/Linux, aunque la mayoría de los sistemas operativos funcionan mejor o están limitados en muchas ocasiones a Windows.
Programación: el entorno de programación de arduino es fácil de usar con grande aplicación para que un principiante pueda realizar sistemas en esta plataforma, otra ventaja importante para manejar esta plataforma es que esta publicado como una herramienta de código abierto, el lenguaje puede ser expandido mediante librerías de C++.
Hardware ampliable: los planos de los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores de circuitos con experiencia pueden hacer su propia versión del módulo, realizando modificación para ampliarlo u optimizarlo según sea su necesidad, en la figura 9 se podrá observar un modelo de la placa arduino uno.
blog.arduino.cc) Ilustración 9. Modelo de placa de arduino uno. (Tomado de blog.arduino.cc)
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7.3.4 SERVOMOTOR. Un servomotor es un tipo especial de motor que permite controlar la posición del eje en un momento determinado, este dispositivo está diseñado para moverse determinada cantidad de grados y luego mantenerse fijo en una posición. Desde la edad de infantes sin darse cuenta la población está en contacto constantemente motores, los motores de juguetes o motores básicos tienen características de que al invertir la polaridad según la alimentación necesaria se obtendrá los giros en diferentes sentidos, son más utilizados en carros de control remoto, un ejemplo de este motor se puede observar en la figura figur a 10.
Ilustración 10. Motor en DC (Tomado de didacticaselectronicas.com) didacticaselectronicas.com)
Un servomotor o un servo, este es un tipo especial de motor que tienes algunas características especiales las cuales pueden controlar la posición y/o el movimiento del componente o lo que este sujeto a él. Cuando se habla de servomotores, también se habla de sistemas compuestos ya que este contiene parte mecánica, eléctrica y electrónica. El servomotor en su composición mecánica contiene un motor DC común con diferencia que este se acopa a una caja de engranajes con similitud a una transmisión. La parte electrónica o el
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circuito electrónica tiene como función hacer el control y el manejo del movimiento y la posición de este componente, en la figura 11 se ilustra la forma de un servomotor básico. [11]
Ilustración 11. Modelo de servomotor. (Tomado de panamahitek.com) panamahitek.com)
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8. METODOLOGIA
8.1 Recopilar información sobre el análisis de la radiación solar en el transcurso del día y tipos de seguidores solares. 8.1.1 Identificación de bases de datos. Para iniciar el desarrollo de este proyecto se toma como base fundamental identificar cuáles y donde son las bases o componentes que generen confiabilidad y seguridad que la información información requerida o encontrada sea información cierta y certera, que provenga de proyectos de investigación, documentos publicados en revistas, artículos científicos o desarrollados en congresos. Lo que el grupo de trabajo tuvo como fin fue poder po der identificar las fuentes confiables a las cuales se pudiera tener un acceso libre y didáctico para obtener la información y se hizo como fuente física la biblioteca Eduardo Cote Lemus de la Universidad Francisco de Paula Santander (UFPS), y como sistemas virtuales se tomaron las bases de datos sistemáticas o biblioteca virtual que la UFPS brinda a sus estudiantes teniendo a esta acerca de 16 bases de datos inscritas a esta, otra fuente que se buscó información fue en Google Académico.
8.1.2 Selección de información necesaria para el desarrollo del proyecto. Se realiza paso a paso una búsqueda detallada de la radiación solar, sistema de posicionamiento solar para la absorción de energía, los diferentes tipos de paneles solares y los tipos de seguidores solares, por ende se procedió a recolar información de estas fuentes confiables pero por consiguiente a este se dio paso a depurar la información general la cual fue descrita en el marco teórico y referencial usando previamente y referencia debidamente.
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En el transcurso de la investigación se logró encontrar un artículo publicado en una revista española que plantea el diseño un prototipo de seguidor solar con un eje [12], [12] , se logró ver el avance que se puede adaptar sistemas de seguidores solares con un eje, este sistema trae consigo grandes beneficios ya qu quee permite que el panel pueda ser dirigido en un coordenada del espacio, de allí surge una mejor idea y consiste en realizar el diseño del componente no en un solo eje sino montando el diseño en uno que permita que el panel pueda realizar movimientos en dos coordenadas en un espacio de 180°. Este tipo de componentes permitiría captar más energía al panel, con el fin de mitigar cualquier posibilidad de pérdida de la misma. Por otra parte también se realizó un análisis de la radiación solar a nivel general de la tierra, parte de esta consulta se puede observar en el marco conceptual, aunque se pueden observar que se adelantan investigaciones sobre el análisis de radiación que puede absorber absorb er nuestro planeta [13], este estudio nos proporciona información acerca de cómo y porque se plantea buscar mejoras con respecto a captación de energía que puede tener un panel solar, justificando por qué como ingenieros se deben buscar soluciones para problemas tecnológicos como ambiental ya que si se quiere ser parte de un desarrollo hay que evolucionar. Con el desarrollo de los diferentes ítems de la investigación hay varios puntos clave que motivan a los estudiantes a realizar este tipo de propuestas investigativas, ya que genera satisfacción saber que lo que los estudiantes desarrollan en el transcurso de sus asignaturas puede ser empleado a realizar un cambio en la la sociedad y el avance energético que puede producir con el desarrollo de estas actividades, la radiación solar en la tierra es algo que a su medida va en constante aumento y se deben buscar alternativas de desarrollo para conseguir mitigar esta radiación o contribuir al desarrollo tecnológico.
32
Al unir estos conceptos de contribuir a mejorar la captación de la radiación se buscó algún antecedente de cómo o cuando me empezaron a usar estas tácticas de avances tecnológicos en nuestro país. “Estas actividades surgieron con el Programa de Telecomunicaciones Rurales de Telecom a comienzos de los años 80, con co n la asistencia técnica de la Universidad Nacional. En este programa se instalaron pequeños generadores fotovoltaicos de 60 Wp (Wp: vatio pico) para radioteléfonos rurales y ya en 1983 habían h abían instalados 2 950 de tales sistemas. El programa continuó instalando estos sistemas y pronto se escaló a sistemas de 3 a 4 kW para las antenas satelitales terrenas. Muchas empresas comenzaron a instalar sistemas para sus servicios de telecomunicaciones y actualmente se emplean sistemas solares en repetidoras de microondas, boyas, estaciones remotas, bases militares, entre otras aplicaciones. Estos sistemas son hoy esenciales para las telecomunicaciones rurales del país. Según un estudio realizado, entre 1985 y 1994 se importaron 48 499 módulos solares para una potencia de 2.05 MWp” [14]
Ilustración 12. Sistema fotovoltaico de 2.8 KW, instalado por el antiguo ICEL (Insti (Instituto tuto Colombiano de Energía Eléctrica, hoy IPSE) en la venturosa, vichada, suministra 120 Volts AC
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Región del País
Radiación Solar (kWh / m2 / año)
Guajira
2000 – 2100 2100
Costa Atlántica
1730 – 2000 2000
Orinoquía – Amazonía Región Andina
1550 – 1900 1900 1550 – 1750 1750
Costa Pacífica
1450 – 1550 1550
Tabla 1. Muestra de radiación solar en Colombia por algunas regiones medida en kWh/m2
En la búsqueda también se realiza un análisis del mapa de Colombia con sus índices de radiación, el cual se puede ver ilustrado en la figura 13 con sus especificaciones por colores en la tabla que se encuentra en la misma figura.
Ilustración 13. Mapa de Colombia con índices de radiación con sus respectivos valores. valores.
34
8.1.3 realizar consultas a personal docente para mirar la viabilidad del proyecto Al realizar las consultas pertinentes a cada de los componentes posibles que se debieran usar tanto de la radiación solar en el planeta, como la de Colombia, la historia de los paneles solares y el uso en Colombia la extracción de energía para contribuir al medio ambiente, se procede a hacer las comparaciones de los dos tipos básicos de seguidores solares, contando desde los seguidores solares de un solo eje y la productividad que este puede dar, pero, se hace a su vez el análisis de los seguidores que trabajan a dos ejes, y este arroja un nivel de producción mayor puesto que este sistema es más sensible a los movimientos que los rayos pueden emitir. Se analiza los conceptos con docentes de control y de energías renovables y también deducen que estos sistemas controlados por componentes a dos ejes trabajan mejor y generan más producción energética.
8.2 Seleccionar los componentes del sistema de seguidor solar. Luego de realizar la consulta a nivel general de todo lo que se necesita para conceptualizarse para hacer la ejecución del proyecto de investigación, se procede a hacer la selección de los componentes a utilizar en el transcurso del proyecto, teniendo en cuenta que el proyecto consiste en hacer un prototipo de seguidor solar con el fin de optimizar un sistema fotovoltaico, como no se va a realizar un montaje completo a gran escala, sino, solamente un prototipo a pequeña escala se usaran componentes básicos y pequeños, también se descarta la selección del panel fotovoltaico ya que el proyecto consiste en hacer el diseño de un prototipo para seguidor solar y no tiene nada que ver con el panel en si en el proceso de selección se tiene en cuenta el proceso de selección a través de una matriz en la cual se determinan características y se hace un proceso de comparación con otros para ver qué tipo de componente es el más viable a usar.
35
En la tabla 2 se podrá analizar una matriz de selección con los siguientes parámetros, esta es una matriz con filas y columnas cada una para comparar la importancia importan cia de cada uno de ellos contra los demás por medio de las siguientes especificaciones: se asigna el valor 10 si se considera que es muy importante, 5 si se considera más importante, 1 si se considera igual de importante, 1/5 menos importante, 1/10 mucho menos importante. A
B
C
D
E
SUMA
FP
A
X
1
1
5
10
17
0.297
B
1
X
5
10
10
26
0.455
C
1
1/5
X
5
5
11.2
0.196
D
1/5
1/10
1/5
X
1
1.5
0.026
E
1/10
1/10
1/5
1
X
1.4
0.024
TOTAL
57.1 Tabla 2. Modelo de matriz de selección
8.2.1 selección de tarjeta programable de adquisición de datos Como primer punto se procede a realizar el análisis de comparación para la selección de la tarjeta que contenga las características más viables para la ejecución del proyecto, en la tabla 3 se asigna a esta tabla la variable A se ve la comparación de entradas y salidas de 3 tarjetas que se tomaron como referentes que son: arduino, Raspberry pi e Intel galileo.
36
Entradas y Salidas (A) Arduino
Raspberry Pi
Intel Galileo
SUMA
PO
Arduino
X
1/5
1
1.2
0.096
Raspberry Pi Intel Galileo
5 1
X 1/5
5 X
10 1.2
0.806 0.096
12.4 Tabla 3. Comparación de entradas y salidas de las tarjetas de adquisición de datos
Luego de hacer la comparación de las entradas entrad as con las salidas se sigue a realizar una comparación de las mismas tarjetas ahora con el precio de estas, esto se ve ilustrado en la tabla 4 donde se compara el precio a esta tabla se le asigna la variable B. Precio (B) Arduino
Raspberry Pi
Intel Galileo
SUMA
PO
Arduino
X
10
10
20
0.787
Raspberry Pi
1/10
X
1/5
0.3
0.011
Intel Galileo
1/10
5
X
5.1
0.200
25.4 Tabla 4Comparación de precios de las tarjetas de adquisición de datos
Luego de hacer la comparación de los precios se sigue a realizar una comparación de las mismas tarjetas ahora con el lenguaje de programación, progr amación, esto se ve ilustrado en la tabla 5 donde se compara el precio a esta tabla se le asigna la variable C.
37
Lenguaje de Programación Accesible (C) Arduino
Raspberry Pi
Intel Galileo
SUMA
PO
Arduino
X
10
5
15
0.592
Raspberry Pi Intel Galileo
1/10 1/5
X 10
1/10 X
0.2 10.1
0.007 0.399
25.3 Tabla 5. Comparación con el lenguaje de programación de las tarjetas de adquisición de datos.
El lenguaje y tipo de programación a la hora de hacer la selección es un componente el cual se debe tener muy presente ya que este va a asegurar tanto la fiabilidad del proyecto como facilitar al estudiante que realice el proyecto con el fin de hacer un mejor desarrollo del mismo; el siguiente factor que se llevó acabo la selección es el tamaño de la tarjeta puesto que este factor determina de alguna forma la portabilidad que el diseño no pueda genera, el tabla 6 se observará el desarrollo comparativo del tamaño, este factor se le denominó la variable D. Tamaño (D) Arduino
Raspberry Pi
Intel Galileo
SUMA
PO
Arduino
X
5
1/5
5.2
0.333
Raspberry Pi
1/5
X
5
5.2
0.333
Intel Galileo
5
1/5
X
5.2
0.333
15.6 Tabla 6. Comparación con el tamaño de las tarjetas de adquisición de datos.
38
El último factor a analizar consiste en la velocidad, esta hará parte crucial en la ejecución del proyecto de investigación ya que ese índice indica la respuesta del sistema, da la confiabilidad que un sistema no puede generar, la velocidad con la que un responda determinara si el componente a ejecutar es el más viable para la ejecución del proyecto, a este factor se le asignará la variable E, y en la tabla 7 se verá reflejada la comparación que se realizó con las 3 tarjetas de adquisición de datos en las que se está trabajando.
Velocidad(E) Arduino
Raspberry Pi
Intel Galileo
SUMA
PO
Arduino
X
1/5
1
1.2
0.105
Raspberry Pi
5
X
5
10
0.877
Intel Galileo
1
1/5
X
1.2
0.105
11.4 Tabla 7. Comparación con la velocidad de las tarjetas de adquisición de datos.
Cuando ya se tienen los diferentes análisis de las diferentes características de las tarjetas de adquisición de datos se procede a hacer la comparación de los resultados y esta última matriz determinará cual es la tarjeta ideal que cumpla con las necesidades que se requiere para la ejecución del proyecto, esta matriz se ilustrará en la tabla 8 la cual trae consigo el resultado general del análisis y da respuesta a cuál es la tarjeta a usar.
39
Arduino
A
B
C
D
E
FP PO
FP PO
FP PO
FP PO
FP PO
PF
0.297x0.096 0.455x0.787 0.196x0.592 0.026x0.333 0.024x0.105 0.512
0.028 0.358 0.116 0.008 0.002 Raspberry 0.297x0.806 0.455x0.011 0.196x0.007 0.026x0.333 0.024x0.877 0.274 Pi Intel Galileo
0.239
0.005
0.001
0.008
0.021
0.297x0.096 0.455x0.200 0.196x0.399 0.026x0.333 0.024x0.105 0.207 0.028
0.091
0.078
0.008
0.002
Tabla 8. Matriz de comparación de resultados para la elección de la tarjeta de adquisición de datos.
Luego de comparar cada una de las 3 tarjetas de adquisición de datos como lo son: Arduino, Raspberry Pi e Intel Galileo, se analizaron las entradas y salidas, el precio, el lenguaje de programación, el tamaño y la velocidad del ssistema, istema, cada uno de esos ítems generó un u n resultado, los cuales fueron ingresados en la tabla 8 y como resultado a esta última comparación se deduce que la mejor opción y viable para trabajar es la tarjeta y sistema de adquisición de datos es: Arduino.
8.2.2 selección de motor ideal para realización del proyecto. Así mismo como en la selección anterior se toma como base el mismo tipo de matriz con la misma ponderación, pero para este caso se analizarán características diferentes, se realiza el proceso de selección de componentes a comparar en los cuales desde un principio quedaron descartados los motores DC puesto que estos consisten en dar su respuesta de una forma un poco inestable y para la ejecución de este proyecto es necesario que la respuesta de los motores estén
40
controlados por una programación ya estipulada por consiguiente se eligen únicamente servomotores de diferentes referencias pero con características similares, para este caso se compara como primera parte el voltaje de alimentación, asignándole la variable A al resultado de la matriz de la tabla 9, los servomotores que se analizaron son: Mg995, Sg90, Mg90. Voltaje de Alimentación (A) Mg995
Sg90
Mg90
SUMA
PO
Mg995
X
5
5
10
0.487
Sg90
1/5
X
10
10.2
0.497
Mg90
1/5
1/10
X
0.3
0.014
20.5 Tabla 9. Comparación de voltaje de alimentación de los servomotores a elegir.
Un factor clave para analizar a la hora de hacer la selección de los servomotores es la velocidad a la cual estos operan ya que se tiene en cuenta una buena reacción en el sistema por consiguiente se realiza la matriz de comparación de velocidad de operación asignándole la variable B y esta da como resultados los que se ilustran en la tabla 10. Velocidad de Operación (B) Mg995
Sg90
Mg90
SUMA
PO
Mg995
X
1/5
1/10
0.3
0.017
Sg90
5
X
1
6
0.346
Mg90
10
1
X
11
0.635
17.3 Tabla 10. Comparación de velocidad de operación de los servomotores a elegir.
41
Los piñones es la característica que se procede a realizar la comparación de estos servomotores ya que este factor determina componentes de precisión y velocidad para determinar la viabilidad de los motores a usar, en la tabla 11 se ingresan los datos correspondientes al tipo de piñón que usa el servomotor, asignándole a los resultados de la comparación la variable C. como resultado se muestra la tabla presentada a continuación.
Tipo de piñón (C) Mg995
Sg90
Mg90
SUMA
PO
Mg995
X
1/5
1
1.2
0.096
Sg90
5
X
5
10
0.806
Mg90
1
1/5
X
1.2
0.096
12.4 Tabla 11. Comparación de los tipos de piñón de los servomotores a elegir
A la hora de realizar el análisis de un dispositivo paras la ejecución de un proyecto siempre en todos los casos se requiere un cuidado detallado de dos características muy importantes que en muchos casos impide la realización del proyecto, por lo tal en el siguiente análisis se procede a realizar la comparación de precios de las 3 referencias de servomotores dándole así la ponderación que cada uno debía recibir con respecto r especto a las comparación de los otros. En la tabla 12 se puede ver la ilustración de cómo se hizo hizo este análisis y sus respectivos resultados, esta características se le asignó la variable D.
42
Precio (D) Mg995
Sg90
Mg90
SUMA
PO
Mg995
X
1/10
1/5
0.3
0.014
Sg90 Mg90
10 5
X 1/5
5 X
15 5.2
0.731 0.253
20.5 Tabla 12. Comparación de los precios de los servomotores a elegir.
Como último componente a comparar el cual se verá representado en la tabla 13, y se le asigna a esta característica de comparación la variable E, esta al ángulo de rotación que los motores pueden alcanzar, al realizar la comparación de esta característica de los servomotores le da confiabilidad a los ejecutores del proyecto, para que se pueda determinar que la elección de dichos componentes y se tenga la seguridad que su selección es confiable y verídica, a continuación se mostrara en la siguiente tabla la ponderación y los resultados obtenidos, pero se encontró que los tres motores emiten los mismos valores. Ángulo Rotacional (E) Mg995
Sg90
Mg90
SUMA
PO
Mg995
X
1
1
2
0.333
Sg90
1
X
1
2
0.333
Mg90
1
1
X
2
0.333
6 Tabla 13. Comparación del ángulo de rotación de los servomotores a elegir.
43
En la fase final del cumplimiento de este objetivo se procede a realizar ya no la matriz de comparación sino la matriz de selección teniendo en cuento todos los resultados obtenidos en cada una de las comparaciones realizados teniendo en cuenta que se compararon los servomotores: Mg995, Sg 90, Mg90; y con las comparaciones se realizaron de las siguientes características: velocidad de alimentación (A), Velocidad de operación (B), Tipo de piñón (C), Precio (D) y Angulo rotacional (E). Como resultado de la selección se puede ver ilustrado en la tabla 14 que trae la ponderación recibida por cada una de las comparaciones y su resultado final. A
B
C
D
E
FP PO
FP PO
FP PO
FP PO
FP PO
PF
Mg995 0.152x0.487 0.135x0.017 0.031x0.096 0.528x0.014 0.152x0.333 0.090 0.074 Sg90
0.002
0.007
0.005
0.152x0.497 0.135x0.346 0.031x0.806 0.528x0.731 0.152x0.333 0.537 0.075
Mg90
0.002
0.046
0.024
0.387
0.005
0.152x0.014 0.135x0.635 0.031x0.096 0.528x0.253 0.152x0.333 0.227 0.002
0.085
0.002
0.133
0.005
Tabla 14. Matriz de selección de servomotor.
Se puede ver en la tabla anterior el resultado de la selección del servomotor con las comparaciones realizadas en las tablas anteriores y los resultados emitidos en la tabla 14, se puede dar como resultado que la mejor opción según las comparaciones y el análisis de los resultados es el servomotor Sg90.
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8.3 Diseñar e implementar un prototipo de seguidor solar de dos ejes para un sistema fotovoltaico.
Luego de realizar todo el proceso de selección y cada uno de los dispositivos que se determinaron a usar en la ejecución de este proyecto, se procede a analizar el comportamiento de cada uno de estos elementos y cómo se interrelacionan todos en común, como primera parte se entiende que las foto resistencias o LDR, son dispositivos que funcionan como sensores de detección de luz, el funcionamiento de estos elementos consiste en que cuando este sensor no detecta luz la impedancia de él puede estar en el rango de los Mega ohm (Ω), permitiendo así que
la corriente que pase a través de este lazo todo esta resistencia tan alta y por lo tanto la tenga en cuenta como un circuito abierto, pero, cuando cuan do el sensor detecta la luz, la resistencia interna ddee este cambia al rango de los Kilo Ohm (Ω), dejando así que la corriente que pasa allí sea significativa por lo tanto pueda darle una respuesta al sistema, siendo que este sensor determina las entradas del dicho componente. Se propone realizar un esquema en una placa cuadrada que sirva como base o soporte para los paneles solares a usar, a su vez en cada esq esquina uina de dicha placa se realiza la conexión con exión de una foto resistencia, completando así, 4 una en cada esquina, una de las entradas de cada uno de estos sensores procede a con un señal de alimentación de 5 voltios, la cual es probada con la fuente de alimentación de Conectar una resistencia de 10 K Ω a cada una de las LDR ayudara que este sensor resistivo actúe de una forma ideal, controlando el voltaje que llega a este punto dándole así un valor preciso pre ciso para darle darl e una orden con controlada trolada ya que a este punto se realizará la conexión o entrada analógica para el funcionamiento del componente.
45
Este componente electrónico para ser usado de la forma que se espera es necesario que sea alimentado con una fuente de alimentación de 5 Volts, la cual se conecta a un extremo del sensor resistivo y el otro extremo se conecta a las res resistencias istencias de 10 KΩ a su vez en este mismo nodo salen un puente que funcionara como entrada al componente arduino, el otro extremo de la resistencia de 10 KΩ serán conectadas a un mismo nodo el cual será tierra, como se pued puedee observar
en la ilustración 14.
Ilustración 14. Circuito analógico analógico del Diseño Diseño 14. Circuito
8.3.1 Diseño de la programación en el software ARDUINO. Se procedió a realizar la selección en el capítulo anterior con la matriz de selección de dispositivos, teniendo en cuenta diferentes características como número de entradas y salidas de la tarjeta programable, el precio en el cual este pueda oscilar, el lenguaje de programación el cual fuera exequible, su nivel de complejidad fácil acceso a este, el tamaño de este dispositivo en su parte tangible o física denominado d enominado el hardware del dispositivo y también la velocidad con la cual este puede dar respuesta al sistema, luego de hacer las comparaciones de cada una de las
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características anteriores se decide adquirir para el desarrollo de este proyecto una tarjeta de adquisición de datos de Arduino uno el cual será mostrado en la ilustración 15.
Ilustración 15. Arduino Uno [15]
Se decidió trabajar sobre este dispositivo teniendo en cuanta la matriz de selección y los criterios sobre los cuales se determinaron clasificar sobre su mayor importancia y cumplir las necesidades requeridas para la implementación del proyecto, a pesar de que es un lenguaje bastante sencillo, fue necesario que los estudiantes adquirieran conocimientos de manera personal en la forma de realizar la programación para hacer la adquisición de datos del proyecto. Como primera instancia se tuvo que determinar las variables o elementos que servirían como entradas al sistema y cuales debían ser la respuesta o salida de dicho componente, para este caso se llegó a la conclusión que las entradas de este sistema eran er an las foto resistencias o LDR que como previamente se explicaron funcionan como sensores de luz variando su resistencia interna y dando
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una respuesta en voltaje como lo hacen la mayoría de los sensores resistivos; se podrá observar en la ilustración 16 una muestra de uno de estos sensores.
Ilustración 16. Foto Resistencia, LDR [16]
Este componente en nuestro proyecto en especial funciona como entrada del sistema, ya que este al variar su resistencia puesto como ya se mencionó anteriormente es un sensor resistivo, nos da una respuesta en voltaje, este voltaje el sistema lo tomará y ejecutará una acción respectivamente, el sistema deberá realizar unos cálculos y operaciones que determinarán la forma de respuesta, cuya respuesta es el movimiento que los servomotores servomo tores también elegidos en el capítulo anterior a través de la matriz de selección de motores, darán una respuesta ya sea un movimiento en el eje horizontal o vertical respectivamente. Otra parte importante es determinar la funcionalidad de nuestras salidas o respuesta de nuestro sistema los cuales tiene tiene son protagonista los servomotores SG90, que se eligieron anteriormente, este componente por diseño previo se determinan ser la respuesta dependiente de la entrada lumínica que perciban, capten o censen las LDR, el componente por el cual se ejecuta este proyecto
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mes un prototipo de seguidor dólar para un sistema fotovoltaico de dos ejes, para que esto se cumpla las entradas del sistema las cuales funcionan como entradas de la luz hay que determinar cuáles son las foto resistencias que se usaran en la parte de arriba del componente y cuales se pondrán en la parte inferior. Se colocan cuatro resistencias, dos en la parte superior las cuales tendrán por nombre top-rigth y top-left, indicando así que son las resistencias superior izquierda y derecha, por otra parte también se disponen de dos resistencias inferiores que tienen por nombre bottom-rigth y bottomleft, siendo estas las resistencias la parte inferior izquierda y derecha, estas a su vez en la parte electrónica como se muestra en la ilustración 14 saldrán unas cables que funcionarán como entradas del sistema que irán conectadas a la tarjeta arduino en unas entradas específicamente analógicas 0, 1, 2 y 3, estas a su vez dependiendo del valor percibido se sumaran todas entre si y se realizaran un promedio dependiendo de este promedio se darán unas instrucciones a las salidas los cuales son los servomotores, a su vez estos tienen 3 componentes, uno que es su fuente de alimentación de 5 Volts igual que las LDR, otro cable irá conectado a la parte neutra o tierra y el ultimo deberá ser conectado a la salida digital de la tarjeta arduino luego de que ella haga en su operación interna los cálculos pertinentes. En el anexo 1, puede observarse detalladamente el código de programación de la tarjeta arduino y los procesos algebraicos y matemáticos que tienen cada una de las entradas y salidas del proyecto ejecutado.
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8.4 Efectuar pruebas de funcionamiento del sistema seguidor solar Luego de realizar el diseño electrónico y el diseño de la parte del software en arduino, se procede a realizar el montaje y las pruebas per pertinentes tinentes con el fin que se pueda determinar que lo diseñado y compilado sea verídico y funcione perfectamente. En primera instancia se procede a realizar los montajes de la parte electrónica y cumplir el esquemático de la ilustración 14, para esto se necesitaron 4 foto resistencias o LDR de tamaño medianas, 4 resistencias de 10 KΩ Conectadas en seria a cada una de las LDR, a un extremo de
las LDR se conectan en un mismo nodo y a su vez se pone la alimentación de 5 Volts y al otro extremo de las resistencias se conectan también a mismo nodo pero esta su vez será conectado al negativo o a tierra, estas dos conexiones tanto la alimentación como tierra son puenteadas y conectadas a la alimentación y a la tierra que tiene los pines de la tarjeta Arduino UNO. Los servomotores también se conectaron a la fuente de alimentación y tierra que tiene la placa de Arduino Uno y la otra se conectó a las salidas digitales 9 y 10 de los respectivos pines de la tarjeta de adquisición de datos. Se compilo el código de programación y cuando este código quedo totalmente compilado sin ningún tipo de error, este puede montado y guardado en la tarjeta para poder ejecutar el programa y logre dar los resultados r esultados que se estimaban a realizars realizarse. e. Los resultados que se obtuvieron luego de realizar los montajes fueron resultados óptimos y cumple los requisitos previos o los objetivos que inicialmente se formularon a la hora de iniciar el proyecto el cual consiste en realizar un diseño e implementación de un prototipo de seguidor solar. Este como su mismo nombre lo indica es solo un prototipo a pequeña escala de lo que puede ser una gran revolución a la industria energética.
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En la ilustración 17 puede verse el resultado que tuvo consigo la implementación de este prototipo en especial.
I lustr lustrac acii ón 17. Pr P r ot otot otii po de de se segg ui uid dor solar para un siste si stem ma fotov fotovolt oltaico. aico.
Este fue el resultado luego de realizar la implementación de este prototipo funcionando en un nivel elevado y confiable, este sistema tiene unas restricciones en el movimiento de los servomotores para tener un control de alcance estos, por otra parte se logra alcanzar un tiempo de respuesta medio, que fue programada a través de la plataforma de programación de la tarjeta de adquisición de datos, en un tiempo tiempo aproximado de respuesta alrededor de los 10 a 8 mili segundos.
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9. CONCLUSIONES Se logró realizar la compilación de información que sirvió como base y fundamento para el diseño del sistema de seguidor solar, viendo como otros proyectos trabajaban en lo mismo tratando de lograr hacer más eficientes los sistemas fotovoltaicos comunes que se pueden encontrar tanto en la industria energética, como en los sistemas fotovoltaicos usados en la cotidianidad. Por otro parte se realizó detalladamente la comparación de las características específicas de cada una de las variables a usar tanto de entrada como de procesamiento de información y de las salidas o respuestas del sistema, realizan la selección de componentes con una matriz de selección básica que a su vez derivó varias matrices con cada una de las características para hacer las comparaciones y procedente a estas se logra hacer una matriz final con los resultados de cada una de las comparaciones y el valor ponderado que se le dio a cada parte, logrando así llegar a una selección altamente confiable y no tomando los componentes a la azar. Luego de tener todos los componentes básicos y necesarios para realizar el proyecto se procedió a realizar el diseño del componente tanto de la parte electrónica como de la parte sistemática en este proceso se presentaron como en cualquier otro proceso algunos errores que fueron superados constantemente con el método de prueba error determinando cada uno de los errores que posiblemente se encontraron para poder identificar las respuestas y soluciones alternativas, procedente a esto se realiza el montaje de todo todo el componente con lo cual se logra ver y determinar la veracidad del sistema y observar que lo diseñado previamente es funcional tanto como los materiales que se escogieron en su etapa inicial.
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10. TRABAJOS FUTUROS Este trabajo consistió en realizar un prototipo de seguidor solar para un sistema fotovoltaico, pero también fue limitado a ser ssolamente olamente un prototipo en pequeña escala, este sistema pueda ser adaptado para usarse a gran escala funcionando como en plantas energéticas de energías renovables a base de paneles solares o en los hogares donde se usan sistemas de renovación energética, para realizar e implementarse a gran escala este proyecto propone usarse componentes electrónicos industriales como el el microcontrolador microcontrolador PIC18F4520, la tarjeta de programación ENSYPIC6 o el mismo que se usó en este proyecto que fue Arduino UNO; se requieren motores polulo 25Dx252L que proporcionen feedback de movimientos realizados, sensores de luz ambiental HD202. Como mínimo se necesitarían estos componentes para realizarse un montaje a gran escala donde puedan ser aprovechados en una industria como tal; este proyecto sirvió de base como un prototipo demostrando que así como se puede lograr realizar un formato a pequeña escala escal a puede ser implementado a grande solo se necesitaría una mente ingeniosa y ganas de desarrollar tecnología.
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ANEXOS Anexo 1: Código de programación de la tarjeta de adquisición de datos Arduino UNO. /* Programa: Seguidor Solar en Arduino Autores: Diana Carolina Bastos Guerrero, Dionel Ropero Torres. Contactos:
[email protected];
[email protected] Curso Integrador Dos. */ #include //definicion de los servomotes Servo servohorizontal; int servoh = 0; int servohLimitHigh = 150; int servohLimitLow = 50; Servo servovertical; int servov = 0; int servovLimitHigh = 150; int servovLimitLow = 60; //asignando resistencias LDR int ldrtopl = 2; //LDR superior izquierdo int ldrtopr = 1; //LDR superior derecho int ldrbotl = 3; //LDR inferior izquierdo int ldrbotr = 0; //LDR inferior derecho void { setup () servohorizontal.attach (10); servohorizontal.write (0); servovertical.attach (9); servovertical.write (0); delay (50); } void loop () { servoh = servohorizontal.read (); servov = servovertical.read (); //proceso de captura de los valores analógicos de cada una de las LDR
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int topl = analogRead (ldrtopl); int topr = analogRead (ldrtopr); int botl = analogRead (ldrbotl); int botr = analogRead (ldrbotr); //indicaciones para realizar el calculo del promedio de las LDR int avgtop = (topl+topr)/2; //promedio de las LDR top int avgbot = (botl+botr)/2; //promedio de las LDR bot int avgleft = (topl+botl)/2; //promedio de las LDR left int avgright = (topr+botr)/2; //promedio de las LDR rigth if (avgtop < avgbot) { servovertical.write (servov+1); if (servov > servovLimitHigh) { servov = servovLimitHigh; }delay(10); } else if (avgbot < avgtop) { servovertical.write (servov -1); if (servov < servovLimitLow) { servov = servovLimitLow; } delay (10); } else { servovertical.write (servov); } if (avgleft > avgright) { servohorizontal.write (servoh +1); if (servoh > servohLimitHigh) { servoh = servohLimitHigh; } delay (10); } else if (avgright > avgleft)
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{ servohorizontal.write (servoh -1); if(servoh < servohLimitLow); { servoh = servohLimitLow; } }delay (10); else { servohorizontal.write (servoh); } delay (10); }
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BIBLIOGRAFÍA
[1] I. d. s. s. e. d. e. p. e. S. F. d. l. E. d. I.I. E. d. l. UES, UES, «Domingo Heriberto Guardado Gutiérrez y Víctor Eulises Rivera Chávez,» mexico, 2012. [2] M. H. L. y. J. C. O. Andrés Escobar Mejía, ««DISEÑO DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA LA OPTIMIZACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO,» medellin, 2010. [3] organizacion meteorologica mundial, «tiempo-clima-agua,» 7 bis, avenue de la paix, ginebra, 2011. [4] E. d. Castro, «sociedad Española de ast astronomia,» ronomia,» univeritat de Barcelona, 2016. [En línea]. Available: http://www.sea-astronomia.es/drupal/node/271. [Último acceso: 27 mayo 2018]. [5] definicion,
«Definicion.de,»
Copyright,
2018.
[En
línea].
Available:
https://definicion.de/cenit/. [Último acceso: 27 mayo 2018]. [6] ventajas al univers universo, o, «ventajas
al universo,»
2012. [En
línea]. Available:
https://www.windows2universe.org/the_universe/uts/earth3.html&lang=sp. [Último acceso: 27 mayo 2018]. [7] A. Norén, «¿QUE SON L LOS OS SEGUIDORES SOLARES Y COMO FUNCIONAN?,» españa, 2018.
57
[8] Forococheseléctricos, «Forococheseléctricos,» copyright, 2018. [En línea]. Available: https://forococheselectricos.com/2015/09/el-simil-de-las-placas-solares-y-las-baterias-enla-reduccion-de-precio.html. [Último acceso: 28 mayo 2018]. [9] Delta Volt SAC,
«Delta Volt,» Copyright
, 2018.
[En línea].
Available:
http://deltavolt.pe/energia-renovable/energia-solar/paneles-solares. [Último acceso: 28 mayo 2018]. [10] E. T. S. y. J. A. Garcia, estudio comparativo de las eficiencias energeticas en seguidores solares, Pamplona: UPNA, 2014. [11] panamahitek, «panamahitek,» 2017. [En línea]. Available: http://panamahitek.com/que-esy-como-funciona-un-servomotor/. [Último acceso: 29 mayo 2018]. [12] O. M. R. P. C. R. C. G. V. DE sisneros-Fondría, «Prototipo experimental de un seguidor fotovoltaico solar de eje simple inclinado integrado en una marquesina de aparcamiento,» Dyna (españa), vol. 90, nº 3, pp. 324-330, 2015.
[13] G. T. J. B. Q. D. B. S. Gaspar Pavon, «Radiative analysis of a spherical absorber concentric to a spherical cavity with an aperture to solar flow,» Dyna (Spain), vol. 91, nº 4, pp. 445451, 2016. [14] H. R. Murcia, «Desarrollo de la energía solar en Colombia y,» Revista de ingenieria, Universidad de los Andes, pp. 84-89, 2009.
58
[15] indiamart,
«indiamart,»
2014.
[En
línea].
Available:
https://www.indiamart.com/proddetail/iso-course-on-design-of-embedded-system-usingarduino-uno-r3-9420066991.html. [Último acceso: 23 junio 2018]. [16] NADI, «NADI ELECZON SOLUTIONS,» Copyright, 06 septiembre 2017. [En línea]. Available:
https://www.lelong.com.my/ldr-light-dependent-resistor-arduino-uno-
compatible-nadieleczone-182422651-2017-09-Sale-P.htm. [Último acceso: 23 junio 2018].
