UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA FACULTAD DE TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
PROYECTO DE GRADO “ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL ANALÓGICO PARA SEGUIMIENTO SOLAR” Documento para Optar el Título de Licenciado en Ingeniería Eléctrica ARIEL VALERIO DURÁN MORA
Sucre – Bolivia 2016
UNIVERSIDAD MAYOR REAL Y PONTIFICIA DE SAN FRANCISCO XAVIER DE CHUQUISACA
FACULTAD DE TECNOLOGÍA CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Proyecto de grado para Optar el Título de Licenciado en Ingeniería Eléctrica
“ANÁLISIS Y DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL ANALÓGICO PARA SEGUIMIENTO SOLAR” ARIEL VALERIO DURÁN MORA
[email protected]
Director: Ing. GERMÁN PALACIOS
Sucre – Bolivia 2016
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AGRADECIMIENTOS
A Dios, por darme las fuerzas necesarias en los momentos en que más las necesité y por darme salud y fortaleza para llegar a este momento tan importante en mi vida. A mi familia, por su cariño, comprensión, paciencia y apoyo sin condiciones ni medidas, quienes depositaron su confianza en mí y no perdieron las esperanzas. A la Universidad Mayor Real y Pontificia de San Francisco Xavier de Chuquisaca y a la Carrera de Ingeniería Eléctrica, a quien debo mi formación profesional; y a los docentes por el conocimiento que me impartieron, el cual me llevo y acompañara siempre. A los Ingenieros David Párraga y Germán Palacios, quienes primero me brindaron su amistad y apoyo incondicional con orientación e información, para poder realizar el proyecto.
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DEDICATORIA
A mi padre Valerio, por sus consejos y motivarme siempre para que siga adelante. A mi madre Elvira, quien me dio todo su amor y cariño incondicional, dándome fuerzas en todo momento. A todos mis hermanos por sus comentarios, sugerencias, opiniones y sobre todo por los momentos compartidos.
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PRÓLOGO
En la actualidad, el aprovechamiento racional de la energía es un aspecto fundamental para las comunidades humanas, motivo por el cual el desarrollo de equipos que permitan lograr este objetivo resulta de gran importancia. En el presente proyecto, se afrontará el análisis y diseño de un controlador analógico para sistemas de seguimiento solar, el cual es destinado principalmente para resolver el problema de eficiencia en la captación de energía solar que presentan los sistemas de captación solar de carácter estático.
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ÍNDICE DE CONTENIDO
ASPECTOS PRELIMINARES .......................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 1 1.2. SITUACION PROBLEMÁTICA.............................................................................. 1 1.3. ARBOL DE PROBLEMAS....................................................................................... 2 1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................. 2 1.5. OBJETIVOS .............................................................................................................. 3
1.6. JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................... 3 1.7. ALCANCES .............................................................................................................. 4 CAPITULO II MARCO TEÓRICO............................................................................................................ 5 1.1. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................... 5 1.2. ENERGÍA [12] .......................................................................................................... 6
1.3. ENERGÍA SOLAR.................................................................................................... 8
1.3.1.1. Captación térmica....................................................................................... 9 1.3.1.2. Captación fotónica...................................................................................... 9
1.4. SEGUIDOR SOLAR ............................................................................................... 11
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1.4.2.1. Distancia Tierra – Sol y excentricidad [17].............................................. 12 1.4.2.2. Declinación solar [17] .............................................................................. 14 1.4.2.3. Ecuación del tiempo Et [17]..................................................................... 15 1.4.2.4. Posición del Sol relativa a superficies horizontales [17].......................... 16
1.4.3.1. Según el tipo de movimiento o grados de libertad ................................... 19 1.4.3.1.1. Seguidor de un solo eje [14].................................................................. 19 1.4.3.1.2. Seguidor de dos ejes [14] ...................................................................... 19 1.4.3.2. Según el tipo de control............................................................................ 20 1.4.3.2.1. Seguidores de lazo abierto [16] ............................................................. 20 1.4.3.2.2. Seguidores de lazo cerrado [16] ............................................................ 21
1.4.4.1. Seguimiento con fotosensores [15] .......................................................... 21 1.4.4.2. Seguimiento con programación astronómica [15].................................... 21
1.5. SENSOR FOTOELÉCTRICO................................................................................. 24
1.6. AMPLIFICADOR OPERACIONAL ...................................................................... 26
1.7. CONTROLADOR PROPORCIONAL DERIVATIVO.......................................... 29
1.8. MOTORES DC EN SISTEMAS DE CONTROL [3] ............................................. 33
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1.9. EL POTENCIÓMETRO.......................................................................................... 38 CAPÍTULO II INGENIERÍA DEL PROYECTO.................................................................................... 40 2.1. DISEÑO Y DESARROLLO ELÉCTRICO ............................................................ 41
2.1.1.1. Datos de partida........................................................................................ 42 2.1.1.1.1. Lugar de emplazamiento ....................................................................... 42 2.1.1.1.2. Disposición de los módulos................................................................... 42 2.1.1.1.3. Estimación del consumo........................................................................ 42 2.1.1.1.4. Radiación solar disponible .................................................................... 43 2.1.1.2. Cálculo de la Instalación .......................................................................... 44 2.1.1.2.1. Número y conexionado de los módulos ................................................ 44 2.1.1.2.2. Calculo de las baterías........................................................................... 45 2.1.1.2.3. Cálculo del regulador ............................................................................ 46 2.1.1.2.4. Cableado y protecciones........................................................................ 47 2.2. DISEÑO Y DESARROLLO MECÁNICO ............................................................. 51
2.2.1.1. Recorrido del Sol...................................................................................... 51 2.2.1.2. Acotación de los ángulos de seguimiento ................................................ 54 2.2.1.2.1. Ángulo de seguimiento en azimut ......................................................... 54 2.2.1.2.2. Ángulo de seguimiento en elevación..................................................... 55
2.2.2.1. Parrilla ...................................................................................................... 57 2.2.2.2. Armazón de sensado................................................................................. 59 2.2.2.3. Bloque de transmisión en elevación......................................................... 60 2.2.2.4. Bloque de transmisión en azimut ............................................................. 61 vi
2.2.2.5. Base .......................................................................................................... 64 2.2.2.6. Tablero de control .................................................................................... 66
2.2.3.1. Potencia en cargas giratorias .................................................................... 67 2.2.3.2. Análisis y cálculo de las velocidades angulares de desplazamiento del sistema..................................................................................................... 67 2.2.3.3. Análisis y cálculo del torque neto respecto a los ejes de rotación ........... 68 2.2.3.4. Especificaciones base de los motores DC ................................................ 72 2.2.3.5. Tipo de motor DC..................................................................................... 74
2.3. DISEÑO Y DESARROLLO ELECTRÓNICO....................................................... 80
2.3.1.1. Selección de la técnica de seguimiento .................................................... 83 2.3.1.1.1. Discriminador de error .......................................................................... 84 2.3.1.2. Desarrollo del modelado matemático....................................................... 85 2.3.1.2.1. Sistema de coordenadas......................................................................... 85 2.3.1.2.2. Discriminador de error .......................................................................... 86 2.3.1.2.3. Comparador ........................................................................................... 87 2.3.1.2.4. Amplificador de seguimiento ................................................................ 88 2.3.1.2.5. Potenciómetro........................................................................................ 88 2.3.1.2.6. Motor DC .............................................................................................. 89 2.3.1.3. Diagrama de bloques general del subsistema de control.......................... 89 2.3.1.4. Análisis y diseño del controlador en el dominio del tiempo .................... 91 2.3.1.4.1. Paso 1 (Especificaciones de diseño)...................................................... 91 2.3.1.4.2. Paso 3 (determinación de valores de parámetros) ................................. 91 2.3.1.4.3. Análisis de desempeño del subsistema de control no compensado ...... 95 2.3.1.4.4. Diseño con el controlador PD ............................................................... 97 2.3.1.4.5. Análisis de desempeño del subsistema de control compensado ........... 97
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2.3.2.1. Circuito comparador............................................................................... 105 2.3.2.2. Circuito Compensador (controlador PD) ............................................... 107 2.3.2.3. Circuito amplificador de seguimiento .................................................... 109 2.3.2.3.1. Pre-amplificador (amplificador en tensión) ........................................ 110 2.3.2.3.2. Amplificador de potencia .................................................................... 111 2.3.2.4. Circuito de realimentación ..................................................................... 115 2.3.2.5. Circuito de alimentación ........................................................................ 117 CAPÍTULO III ANÁLISIS ECONÓMICO ............................................................................................. 119 3.1. COSTOS DEL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN ............................................... 120 3.2. COSTOS DEL SUBSISTEMA MECÁNICO ....................................................... 122 3.3. COSTOS DEL SUBSISTEMA DE CONTROL ................................................... 125 3.4. COSTO TOTAL .................................................................................................... 127 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................................ 129 BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................. 132 ANEXOS .......................................................................................................................... 135 ANEXO A..................................................................................................................... 136 INFORMACION COMPLEMENTARIA .................................................................... 136
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ANEXO B..................................................................................................................... 183 INGENIERIA DEL PROYECTO ................................................................................ 183
ANEXO C..................................................................................................................... 224 HOJAS DE ESPECIFICACIONES.............................................................................. 224
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ÍNDICE DE FIGURAS CAPÍTULO I Figura 1.1: Movimiento de la tierra alrededor del sol. ........................................................ 12 Figura 1.2:Movimiento aparente del sol y el ángulo de declinación solar. ......................... 14 Figura 1.3: Coordenadas del sol relativas a un observador en la Tierra. ............................ 17 Figura 1.4: Definición del ángulo cenital del sol, la altura solar y el azimut. ..................... 18 Figura 1.5: Seguidor solar de dos ejes................................................................................. 20 Figura 1.6: Sistema de captación de energía solar............................................................... 22 Figura 1.7: Sensores fotoeléctricos de fotocelda. ................................................................ 25 Figura 1.8: Diagrama de un amplificador operacional ideal. .............................................. 26 Figura 1.9: Configuración de un op-amp inversor. ............................................................. 27 Figura 1.10: Funciones de transferencia de un op-amp en configuración inversora. .......... 28 Figura 1.11: Sistema de control con el control pd............................................................... 30 Figura 1.12: Circuito con op-amps del controlador pd........................................................ 31 Figura 1.13: Producción del par en un motor dc. ................................................................ 33 Figura 1.14: Sub clases de motores de corriente directa. .................................................... 35 Figura 1.15: Sección transversal de un motor dc de imán permanente de núcleo de hierro.36 Figura 1.16: Componentes de un motor dc eléctrico moderno. .......................................... 37 Figura 1.17: Potenciómetro rotatorio lineal......................................................................... 38 CAPÍTULO II Figura 2.1: Instalación fotovoltaica del sistema de seguimiento solar. ............................... 41 Figura 2.2: Diagrama unifilar de la instalación fotovoltaica del sistema de seguimiento solar. .................................................................................................................................... 50 Figura 2.3: Recorrido diario y anual del sol para nuestra ubicación. .................................. 53 x
Figura 2.4: Acotación del ángulo acimutal de seguimiento. ............................................... 54 Figura 2.5: Acotación del ángulo de elevación de seguimiento. ......................................... 55 Figura 2.6: Diseño estructura – seguidor solar. ................................................................... 56 Figura 2.7: Superior; diseño estructura – parrilla, Inferior; dimensiones en milímetros..... 58 Figura 2.8: Izquierda; diseño estructura – armazón de sensado, Derecha; dimensiones en milimetros............................................................................ ¡Error! Marcador no definido. Figura 2.9: Diseño de bloque de transmisión en elevación. ................................................ 60 Figura 2.10: Diseño de bloque de transmisión en azimut.................................................... 62 Figura 2.11: Derecha; imagen del diseño de base, Izquierda; dimensiones en milímetros. 65 Figura 2.12: Derecha; diseño tablero de control, Izquierda; dimensiones en milímetros. .. 66 Figura 2.13: Fuerzas actuantes respecto al eje de rotación en elevación. ........................... 69 Figura 2.14: Fuerzas actuantes respecto al eje de rotación en azimut. ................................ 72 Figura 2.15: Dimensiones del motor dc mb 63 40 001. ...................................................... 76 Figura 2.16: Diseño de tornillo sin fin................................................................................. 78 Figura 2.17: Derecha; diseño de rueda azimut, Izquierda; diseño de rueda elevación........ 79 Figura 2.18: Diagrama esquemático para el seguimiento en elevación. ............................. 81 Figura 2.19: Sensor kxob22-04x3l. ..................................................................................... 83 Figura 2.20: Disposición de las fotoceldas en el armazón de sensado. ............................... 85 Figura 2.21: Sistema de coordenadas para el sistema de seguimiento del sol..................... 86 Figura 2.22: Característica no lineal del discriminador....................................................... 87 Figura 2.23: Diagrama de bloques general del subsistema de control del seguidor solar. .. 90 Figura 2.24: Diagrama en bloques simplificado del subsistema de control del seguidor solar. .................................................................................................................................... 94 Figura 2.25: Respuesta al escalón unitario del subsistema sin compensar con
= 0,002.96
Figura 2.26: Lugar geométrico de la función de transferencia de lazo abierto con = 0 y variando
= 0,25,
de 0 a ∞ . .................................................................................... 101
xi
Figura 2.27: Contorno de las raíces de la ec. 2.28 con
= 1y
variante de 0 a ∞. 102
Figura 2.28: Respuesta al escalón unitario del sist. de seguimiento con y sin control pd. 104 Figura 2.29: Operacional op 07, Izquierda; encapsulado dip, Derecha; esquema de conexiones. ........................................................................................................................ 105 Figura 2.30: Esquema electrónico del discriminador de error........................................... 107 Figura 2.31: Operacional ua 741, Izquierda; encapsulado dip, Derecha; esquema de conexiones. ........................................................................................................................ 108 Figura 2.32: Esquema electrónico del controlsdor pd. ...................................................... 109 Figura 2.33: Diagrama en bloques del amplificador de seguimiento. ............................... 110 Figura 2.34: Operacional tl 081, Izquierda; encapsulado dip, Derecha; esquema de conexiones. ........................................................................................................................ 111 Figura 2.35: Transistor mos irf 520, Izquierda; encapsulado, Derecha; esquema de conexiones. ........................................................................................................................ 112 Figura 2.36: Transistor mos irf 9520, Izquierda; encapsulado, Derecha; esquema de conexiones. ........................................................................................................................ 113 Figura 2.37: Esquema electrónico del amplificador de seguimiento................................. 114 Figura 2.38: Realimentación por potenciómetro rotatorio lineal. ..................................... 115 Figura 2.39: Esquema y tensiones de la realimentación.................................................... 116 Figura 2.40: Esquema electrónico de realimentación de posición con potenciómetro. .... 116 Figura 2.40: Esquema electrónico de la fuente de alimentación. ...................................... 118
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ÍNDICE DE TABLAS CAPÍTULO I Tabla 1.1: Tipos de fotosensores. ........................................................................................ 24 Tabla 1.2: Propiedades del op-amp ideal............................................................................. 26 Tabla 1.3: Motores DC según su diseño de armadura......................................................... 35 Tabla 1.4: Características del motor DC de IP de nucleo de hierro. ................................... 36 CAPÍTULO II Tabla 2.1: Secciones de conductor de los tramos de la instalación fotovoltaica................. 48 Tabla 2.2: Intensidades de corriente y secciones de cable en tramos.................................. 48 Tabla 2.3: Resumen de cálculo de parámetros astronómicos de posicionamiento para Sucre. ................................................................................................................................... 52 Tabla 2.4: Componentes de la estructura mecánica del seguidor solar. .............................. 57 Tabla 2.5: Principales partes de la parrilla. ......................................................................... 58 Tabla 2.6: Principales partes del armazón de sensado......................................................... 59 Tabla 2.7: Piezas complementarias del bloque de transmisión en elevación. ..................... 61 Tabla 2.8: Piezas complementarias del bloque de transmisión en azimut........................... 63 Tabla 2.9: Componentes de la base.. ................................................................................... 65 Tabla 2.10: Características de selección del motor de cd.................................................... 74 Tabla 2.11: Datos técnicos del motor dc. ............................................................................ 76 Tabla 2.12: Parámetros esenciales de los engranes. ............................................................ 77 Tabla 2.13: Efectos de la realimentación en las características de desempeño de los sistemas................................................................................................................................ 80 Tabla 2.14: Principales componentes del seguimiento en elevación................................... 82 Tabla 2.15: Pasos de diseño del subsistemas de control. .................................................... 83 xiii
Tabla 2.16: Principales características técnicas del sensor kxob22-04x3l. ......................... 84 Tabla 2.17: Especificaciones de diseño del subsistema de control. .................................... 91 Tabla 2.18: Valores de los parámetros del subsistema de control del seguidor solar. ........ 93 Tabla 2.19: Efectos del control pd en el desempeño de los sistemas. ................................. 97 Tabla 2.20: Efectos del control pd en la función de transferencia y el amortiguamiento.. . 98 Tabla 2.21: Respuesta al escalón unitario con y sin control pd......................................... 103 Tabla 2.22: Principales características del c.i. op 07......................................................... 105 Tabla 2.23: Lista de componentes del amplificador diferencial........................................ 107 Tabla 2.24: Lista de componentes del controlador pd....................................................... 109 Tabla 2.25: Principales características del c.i. tl 081......................................................... 110 Tabla 2.26: Principales ventajas de los mosfet.................................................................. 111 Tabla 2.27: Principales especificaciones del transistor mosfet irf 520.............................. 112 Tabla 2.28: Principales especificaciones del transistor mosfet irf 9520............................ 113 Tabla 2.29: Lista de componentes del amplificador de seguimiento. ............................... 114 Tabla 2.30: Dispositivos de realimentación del subsistema de control. ............................ 115 Tabla 2.31: Lista de componentes del circuito de realimentación. ................................... 117 Tabla 2.31: Lista de componentes del circuito de realimentación. ................................... 118 CAPÍTULO III Tabla 3.1: Costos del subsistema de captación. ................................................................ 120 Tabla 3.2: Costos del subsistema mecánico. ..................................................................... 122 Tabla 3.3: Costos del subsistema de control. .................................................................... 125 Tabla 3.4: Costo total ........................................................................................................ 127
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ASPECTOS PRELIMINARES
1.1. INTRODUCCIÓN Un seguidor solar es un dispositivo electrónico- mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos del Sol. Debido a esta orientación constante los paneles solares aprovechan en mayor grado la energía solar, mejorando su eficiencia. Para que el seguidor solar pueda seguir al Sol en todo momento, precisa de un sistema de control de seguimiento, el cual actuara disminuyendo o anulando la diferencia angular entre la normal al plano de captación y el ángulo de incidencia de los rayos del Sol.
1.2. SITUACION PROBLEMÁTICA Los módulos o sistemas fotovoltaicos de captación de energía solar estáticos, presentan un deficiente desempeño en el aprovechamiento de la energía solar disponible. Este mal aprovechamiento es causado principalmente por el cambio del ángulo de incidencia de los
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rayos solares en el plano de los paneles en el transcurso del día (movimiento de rotación de la Tierra) y a lo largo del año (movimiento de traslación).
1.3. ARBOL DE PROBLEMAS
IMPLEMETAR UN SEGUIDOR SOLAR Y SU RESPECTIVO SISTEMA DE CONTROL
SOLUCIÓN
E F E C T O S
Efecto 1:
Efecto 2:
Efecto 3:
Déficit energético
Costo monetario
Demanda aún más limitada
Manifestación del problema: PROBLEMA
C A U S A S
BAJO RENDIMIENTO DEL SISTEMA ESTÁTICO DE CAPTACIÓN DE ENERGIA SOLAR
Causa 1:
Causa 2:
Causa 3:
Sistema estático limitado
Cambio del ángulo de incidencia de los rayos solares
Bajo aprovechamiento de la energía disponible
1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ¿Qué sistema de control será el adecuado para implementarlo en el seguimiento solar que anule o disminuya la diferencia angular de la normal de la superficie de los módulos con respecto a la incidencia de los rayos solares?
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1.5. OBJETIVOS Objetivo general
Diseñar y analizar un sistema de control analógico, de modo que este, realice un seguimiento de la trayectoria del Sol en todo momento y permita optimizar la captación de energía solar.
Objetivos específicos
Realizar el análisis de la trayectoria del Sol junto con el índice de radiación para Sucre.
Definir el tipo de seguimiento que se aplicara.
Delinear el sistema de control y sus principales elementos constitutivos.
Diseñar el sistema de control de forma que el mismo cumpla con las especificaciones de diseño.
1.6. JUSTIFICACIÓN
El sistema de control a diseñar posibilitara al sistema estático de captación de energía solar fotovoltaico realizar un seguimiento constante de la posición del Sol.
incrementará la cantidad de radiación captada por el módulo, por ende, su rendimiento, mediante el movimiento continuo del panel.
Es una solución ideal para disponer de energía optimizada.
Mejorará los sistemas estáticos de captación de energía solar fotovoltaica ya instalados con una baja inversión.
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1.7. ALCANCES
Mejorar la eficiencia de los sistemas colectores de energía solar, ya sea fotovoltaica, o térmica.
Contribuir al mejoramiento de la calidad de vida, de modo que se disponga de mucha más energía.
Fomentar la captación de energía solar, tanto en el área rural como urbano, ya que en la actualidad su implementación se da tanto a gran escala como a mediana y pequeña escala, y además es una fuente de energía gratuita e inagotable.
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CAPÍTULO I
MARCO TEÓRICO
1.1. INTRODUCCIÓN En la actualidad existe una creciente preocupación por el uso de energías cuyas fuentes son agotables y cuya transformación contamina el medio ambiente, principalmente por la producción de dióxido de carbono (CO2) y otros contaminantes más peligrosos, aunque en menores concentraciones. La emisión de dichos elementos tiene consecuencias tan importantes como el efecto invernadero, responsable de acelerar el cambio climático, las lluvias ácidas, que afectan erosionando grandes ecosistemas, etc. La necesidad de emplear nuevos métodos de generación de energía que sean de pequeño o nulo impacto ecológico ha dado como resultado el estudio y desarrollo de los métodos que emplean recursos renovables, uno de ellos, el más promisorio, es el aprovechamiento de la energía solar que es de elevada calidad energética y de insignificante impacto al ambiente además de ser inagotable a escala humana.
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1.2. ENERGÍA [12] La energía es la fuerza vital que rige y modela todo en el universo desde el principio de los tiempos y esta se manifiesta en los cambios tanto físicos como químicos de la materia.
Trabajo [1] El trabajo se define como la fuerza necesaria para mover algún objeto una distancia definida, simbólicamente: ∗ Donde y
es el trabajo, expresado en Joules J ,
es la distancia, que se mide en metros m .
Ec. 1.1 [1]1
es la fuerza, expresado en Newtons N
Energía
La energía por su parte se la define como la capacidad para realizar o producir un trabajo, y posee la misma unidad que la del trabajo, el Joule J .
La energía se manifiesta de distintas formas, entre las que se tiene: térmica, radiante, mecánica, eléctrica, química, gravitacional, magnética y nuclear, cada una de las cuales tiene su origen, su forma de producción y sus usos específicos.
Eficiencia energética [1] Una forma de energía puede transformarse en otra como consecuencia de un proceso, generalmente por la acción de una máquina, lo cual encamina el estudio hacia uno de los
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Ec. 1.1 [1]: Ecuación del capítulo I número uno referencia bibliográfica uno. [1]: Las citas incluidas en el texto se basan en el estilo IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), 2014.
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conceptos más importantes sobre energía, que se conoce como la primera ley de la termodinámica o ley de conservación de energía: “La energía no se pierde ni se destruye, solo se transforma” Antoine Lavoisier El balance energético de un proceso debe ser cero, es decir, la energía que ingresa es igual a la energía que se produce. Un proceso energético es reversible cuando se puede ir de uno a otro lado del mismo sin modificar el total de energía involucrada en ese proceso. Es decir que, en este caso, la eficiencia2 es del 100%.
Sin embargo, se sabe que en la vida real esto no es factible, pues existen pérdidas de energía por varios factores. La eficiencia del proceso entonces nunca llega al 100%. En la realidad energética, todo proceso de transformación es irreversible y el grado de aprovechamiento de la energía introducida en el mismo viene determinado por su eficiencia:
Ec. 1.2 [1]
Donde η es la eficiencia [adimensional], energía introducida en el proceso J .
es el trabajo resultante del proceso J y
es la
Potencia [12]
La potencia es la energía generada en una unidad de tiempo o la rapidez con que se efectúa trabajo.
Ec. 1.3 [12]
Donde N ,y 2
es la potencia W ,
es la energía J , es el tiempo s ,
es la fuerza aplicada
es la velocidad del movimiento m⁄s .
Eficacia, virtud y facultad para lograr un efecto concreto.
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1.3. ENERGÍA SOLAR El Sol produce constantemente una energía de 3,78
10 W, que se irradia por el espacio
con simetría esférica en todas las direcciones. La energía irradiada por el Sol viaja por el
espacio exterior hasta llegar a la superficie terrestre, debido a la enorme distancia que existe entre el Sol y la Tierra la irradiación que llega a nuestro planeta es solo una pequeña parte de la potencia total emitida por el Sol. A pesar de ello en concreto, la cantidad de energía solar recibida anualmente por la tierra es aproximadamente 1,5
10 kWh, el
cual representa 10.000 veces el consumo mundial de energía en ese mismo periodo.
La potencia que recibe una superficie de 1 m de la Tierra fuera de la atmósfera si se halla
perpendicular al Sol es de 1.367 W/m , este valor es casi invariable durante todo el año y se lo llama constante solar3. Este valor ultimo de potencia radiante no es el valor que llega a la superficie de la tierra, pues la atmósfera atenúa a la radiación solar a través de fenómenos de reflexión, absorción y difusión ocasionados por las moléculas de aire, ozono, vapor de agua y otros gases presentes en ella, por lo tanto la irradiancia en un plano horizontal ubicado sobre la superficie terrestre alcanza un valor máximo de 1.000 W⁄m
durante el mediodía en un día claro, es decir el valor máximo a aprovechar por un adecuado sistema de captación. [13]
Captación de la energía solar El desarrollo tecnológico actual permite aprovechar la energía del Sol para los usos más diversos, dentro de las aplicaciones, más habituales, de la energía solar se tiene la producción de calor y la producción directa de electricidad: [1]
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La constante solar es la máxima potencia que puede llegar del Sol por unidad de superficie y se usa en cálculos de radiación solar para sistemas fotovoltaicos y termosolares.
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1.3.1.1. Captación térmica
En este tipo de captación la energía del Sol es aprovechada indirectamente, es decir, la radiación solar es interceptada por una superficie absorbente apropiada. La intercepción se logra anteponiendo la superficie absorbente directamente frente a los rayos solares o redireccionando estos a un punto específico donde se ubica la superficie absorbente, este último es más eficiente ya que al concentrar la radiación solar el efecto térmico es de alta intensidad. [14] 1.3.1.2. Captación fotónica
La radiación solar es aprovechada de forma directa, debido al efecto fotoeléctrico de los corpúsculos constituyentes de la luz (fotones), para producir electricidad lo cual se hace con la ayuda de los llamados SFV (Sistemas Fotovoltaicos) que se constituye por una serie de paneles encargados de captar la luz solar y convertirlas en energía eléctrica que posteriormente puede ser almacenada para luego integrarla al consumo de las personas. [14]
Ventajas de la captación de energía solar [15] La energía solar es una de las alternativas energéticas más importantes en la actualidad, esta ofrece una serie de ventajas tales como:
Es una fuente de energía inagotable y universal, es decir su captación y uso se puede dar tanto en cualquier parte del planeta como en el espacio.
Es una energía limpia que no genera emisiones de gases contaminantes ni otro tipo de residuos.
Es la única energía renovable que puede implantarse a gran escala.
Desventajas de la captación de energía solar [15] Entre los inconvenientes no comparables con los de las fuentes de energías convencionales, se encuentran:
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Sólo se produce energía mientras hay luz y depende del grado de insolación.
El costo de las instalaciones es elevado, sobre todo si se compara con otro tipo de instalaciones que generen la misma potencia, sin embargo se estima que se
presentará una reducción del 18% cada que la producción se duplique.
El rendimiento es bastante bajo, debido a la baja eficiencia de las células solares, en
El periodo de amortización de la inversión es largo, de unos diez años. muchos casos inferior al 40%.
10
1.4. SEGUIDOR SOLAR La energía solar llega a la tierra de manera dispersa y semialeatoria, además de estar sometida a ciclos día-noche (movimiento relativo del Sol en el transcurso del día) y estaciones invierno-verano (variación del ángulo de incidencia de los rayos solares). Todo esto ocasiona que los sistemas fotovoltaicos se vuelvan poco eficientes debido a la variación de la cantidad de radiación captada, para minimizar dicho efecto y maximizar su rendimiento, se propone la integración de un sistema de seguimiento del Sol. [18]
¿Qué es y cómo funciona un seguidor solar? Un seguidor solar es un dispositivo electromecánico, conformado básicamente por una parte fija y una móvil, capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, siguiendo a este en su trayectoria por la bóveda celeste en todo momento. Con el fin de aumentar y mejorar la captación de radiación solar y por ende la energía suministrada por el sistema. Los seguidores solares son usados en todas las tecnologías de seguimiento solar: FPV4, CPV5 y CSP6. [18]
Relaciones astronómicas Sol-Tierra [17] Para llegar a un diseño preciso de cualquier sistema que utiliza energía solar, es necesario tener la capacidad de predecir la energía disponible en un determinado lugar y un determinado momento. La literatura contiene una gran variedad de sistemas, métodos y
4
FPV Flat Photovoltaics, utiliza las placas fotovoltaicas para captar directamente la luz solar y producir energía eléctrica.
5
CPV Concentrator photovoltaics, es un tipo de energía solar fotovoltaica que utiliza lentes, espejos curvados y otros tipos de ópticos para concentrar una gran cantidad de radiación solar en una pequeña área de células fotovoltaicas para generar electricidad.
6
CSP Concentrated Solar Power, utiliza espejos o lentes para concentrar una gran cantidad de luz solar sobre una superficie pequeña. La energía eléctrica es producida cuando la luz concentrada es convertida en calor, que impulsa una turbina de vapor.
11
ecuaciones para establecer las relaciones astronómicas Tierra - Sol y calcular la posición del Sol en cualquier momento. Estos cálculos se pueden dividir en dos grupos.
El primero de ellos consiste en la aplicación de fórmulas y algoritmos sencillos, los cuales mediante la introducción del día del año, estiman con una precisión adecuada los parámetros básicos de la posición del Sol, como pueden ser la distancia Tierra-Sol, la declinación solar o la ecuación del tiempo (Cooper, 1969;
Spencer, 1971; Perrin de Brichambaut, 1975 y Lamm, 1981).
El segundo consiste en la aplicación de algoritmos más complejos (Walraven, 1978; Michalsky, 1988; Blanco-Muriel, 2001), los cuales dan la posición precisa
del Sol en un instante determinado, en coordenadas celestes, Ecuatoriales (ascensión recta, declinación) y horizontales (elevación, azimut). 1.4.2.1. Distancia Tierra – Sol y excentricidad [17]
La Tierra gira alrededor del Sol en una órbita elíptica, con el Sol ubicado en uno de los focos de la elipse y, debido a la excentricidad de la órbita, la distancia entre el Sol y la Tierra varía a lo largo del año (Figura 1.1).
Figura 1.1: Movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Fuente: [17]
La cantidad de radiación solar que llega a la Tierra es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al Sol, por lo cual un valor preciso de la distancia Tierra-Sol es importante. La distancia media Tierra-Sol
se denomina unidad astronómica, donde 1 AU
12
es igual a 1,496 × 10 km. La distancia mínima Tierra-Sol es alrededor de 0,983 AU en el perihelio7, mientras que el máximo es aproximadamente 1,017 AU en el afelio8.
Es conveniente expresar la distancia Tierra-Sol en una forma matemática simple, para este propósito se han desarrollado una serie de expresiones matemáticas de diversa complejidad. Tradicionalmente la distancia se expresa mediante una expansión en términos de series de Fourier con un número determinado de coeficientes. Con un error
máximo de 0,0001, Spencer (1971) desarrolló la expresión 1.4 para el recíproco del
cuadrado del radio vector de la Tierra, denominado Factor de corrección de la distancia Tierra-Sol,
. =
= 1,000110 + 0,034221 cos Γ + 0,001280 sin Γ +
0,000219 cos 2Γ + 0,000077 sin 2Γ
Ec. 1.4 [17]
En esta ecuación, Γ, en radianes, se denomina ángulo diario, y viene dado mediante la siguiente expresión:
Γ=
Donde
2 365
− 1
Ec. 1.5 [17]
corresponde al número del día juliano del año (1 ≤
≤ 365), variando desde
1 para el 1 de Enero, hasta 365 para el 31 de Diciembre. Para muchas aplicaciones tanto
en tecnología como en ingeniería se puede aplicar una expresión más simple (Duffie y Beckman, 1980): =
= 1 + 0,033 cos
7
Punto de la órbita de un planeta más próximo al Sol.
8
Punto más alejado del Sol en la órbita de un planeta del sistema solar.
2 365
Ec. 1.6 [17]
13
1.4.2.2. Declinación solar [17]
El plano de revolución de la Tierra alrededor del Sol se denomina plano eclíptico. La Tierra gira sobre sí misma alrededor de un eje denominado eje polar, el cual se encuentra inclinado aproximadamente 23,5 de la normal del plano eclíptico. La rotación de la Tierra alrededor de este eje ocasiona los cambios diurnos en la radiación solar incidente; la
posición de este eje relativo al Sol causa los cambios estacionales en la radiación solar. El ángulo entre el eje polar y la normal al plano eclíptico permanece invariable. Lo mismo es verdadero para el ángulo entre el plano ecuatorial de la Tierra y el plano eclíptico. Aunque, el ángulo que forman el plano ecuatorial y la línea que une los centros del Sol y de la Tierra cambia cada día, de hecho, cada instante. Este ángulo es llamado declinación solar δ. La declinación es cero en los equinoccios (literalmente días y noches iguales) de primavera y de otoño y tiene un valor aproximado de + 23,5 el solsticio de verano y cerca de − 23,5 en solsticio de invierno.
Otra forma de representar la declinación solar consiste en dibujar la esfera celeste con la Tierra en el centro y el Sol rotando alrededor de la Tierra (Figura 1.2). Los polos celestes corresponden a los puntos en los cuales el eje polar de la Tierra corta a la esfera celeste. De modo similar, el ecuador celeste es una proyección del plano ecuatorial terrestre sobre la esfera celeste. La intersección del plano ecuatorial terrestre con el plano elíptico de revolución del Sol, produce un ángulo de aproximadamente 23,5 . Para cualquier instante, la posición del Sol relativa al plano del ecuador celeste representa el ángulo de declinación.
Figura 1.2: Esfera celeste mostrando el movimiento aparente del Sol y el ángulo de declinación solar. Fuente: [17]
14
Para la determinación de la declinación solar pueden consultarse las efemérides. También puede determinarse mediante la aplicación de fórmulas y expresiones aproximadas, que dan su valor con diversos grados de precisión reportados por numerosos autores, la más importante de ellas y la más ampliamente citada en la literatura solar corresponde a la de Spencer (1971). Quien presenta la siguiente expresión para calcular δ, en radianes:
= 0,006918 − 0,399912 cos Γ + 0,070257 sin Γ −
0,006758 cos 2Γ + 0,000907 sin 2Γ − 0,002227 cos 3Γ +
Ec. 1.7 [17]
0,00148 sin 3Γ
A continuación se presentan dos fórmulas simples comúnmente usadas para determinar la declinación (en grados), como son la fórmula de Perrin de Brichambaut(1975): = sin
0,4 sin
360 365
− 82
Ec. 1.8 [17]
y la de Cooper (1969), que resulta menos aproximada pero más sencilla: = 23,45 sin
360 365
+ 284
Ec. 1.9 [17]
Las dos ecuaciones anteriores son de hecho bastante precisas. Sin embargo, cuando se requiere una gran precisión y para el uso en ordenadores es preferible aplicar la ecuación 1.7.
1.4.2.3. Ecuación del tiempo Et [17]
El tiempo solar verdadero está basado en la rotación de la Tierra sobre su eje polar y el movimiento de traslación alrededor del Sol. Un día solar es el intervalo de tiempo (no necesariamente 24 h) en el que el Sol completa un ciclo alrededor de un observador estacionario en la Tierra. La Tierra gira alrededor del Sol verificándose la ley de las áreas,
lo que implica que la velocidad de la Tierra varía a lo largo del año, en consecuencia, el día solar no es uniforme, siendo imposible adoptarlo como unidad de tiempo.
15
Para superar esta dificultad se acuerda tomar una esfera terrestre ficticia que posee un movimiento de rotación uniforme alrededor del Sol, de manera tal que describe una vuelta completa exactamente en el mismo tiempo que emplea la Tierra en describir un giro alrededor del Sol, dando origen al tiempo solar medio. La diferencia que existe entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio es lo que se denomina ecuación del tiempo, la cual varía de un lugar a otro a lo largo del año. Para la determinación de la ecuación del tiempo la literatura ofrece una gran cantidad de referencias, partiendo del uso de gráficas (Whillier, 1965) y formulas sencillas (Spencer,
1971; Lamm, 1981 ), hasta la aplicación de algoritmos complejos (Michalsky, 1988 ; Blanco-Muriel, 2001).
Spencer (1971) propone la siguiente fórmula para calcular la ecuación del tiempo (en minutos): = 0,000075 + 0,001868 cos Γ + 0,032077 sin Γ − 0,014615 cos 2Γ − 0,04089 229,18
Ec. 1.10 [17]
En esta ecuación el primer término de la izquierda entre paréntesis representa la ecuación del tiempo en radianes, y el factor 229,18 se usa para convertir los radianes en minutos. 1.4.2.4. Posición del Sol relativa a superficies horizontales [17]
Para calcular la irradiación solar que llega a una superficie horizontal sobre la superficie de la Tierra, es necesario escribir las relaciones trigonométricas entre la posición del Sol en el cielo y las coordenadas ecuatoriales sobre la Tierra. Por ejemplo, se puede describir a un observador ubicado en la Tierra dibujando una esfera celestial con la Tierra como centro (Figura 1.3). En cualquier momento, un observador sobre la superficie de la Tierra tiene una posición correspondiente en la esfera celestial llamada el cenit del observador; este es el punto de intersección con la esfera celestial de una normal a la superficie de la Tierra en la posición del observador. El punto diagonalmente opuesto al cenit local es llamado nadir. El horizonte del observador es un gran círculo dentro de la esfera celestial en cuyo centro está la Tierra y que es atravesado normalmente por la línea que une el centro de ésta y el cenit del observador.
16
Figura 1.3: Esfera celestial y coordenadas del sol relativas a un observador ubicado sobre la tierra en el punto O. Fuente: [17]
El cenit
es el ángulo entre el cenit local y la línea que une al observador y el sol. Este es
un ángulo que varía entre 0 y 90 . La altura solar (también llamada elevación solar) es
la altura angular del Sol sobre el horizonte celestial del observador. Este es un ángulo que varía entre 0 y 90 . La altura solar es el complemento del ángulo cenital. El azimut solar
es el ángulo en el cenit local entre el plano del meridiano del observador
y el plano de un gran círculo que pasa por el cenit y el Sol. Es medido hacia el este positivamente, oeste negativamente, (sur = cero) y de este modo varía entre 0 y ± 180 . El ángulo horario
es el ángulo medido en el polo celestial entre el meridiano del
observador y el meridiano del Sol. Contado desde el mediodía, cambia 15 por hora.
Para una posición geográfica dada, en ausencia de la atmósfera de la Tierra, la relación trigonométrica entre el Sol y una superficie horizontal es bien conocida. Esta es como sigue: cos
= sin sin
+ cos cos
cos
= sin
Ec. 1.11 [17]
y cos
=
sin sin + sin cos cos
Ec. 1.12 [17]
17
con 0° ≤
90° ≤
≤ 90° cos
≤ 180° cos
≥ 0
Ec. 1.13 [17]
≤ 0
Las definiciones y convenciones de signo son resumidas a continuación: es el ángulo cenital, en grados; es la altura solar, también llamada elevación solar, en grados;
= 90 −
es el ángulo horario, igual a cero a mediodía y positivo en la mañana: es la latitud geográfica, en grados, norte positivo;
es el azimut local, en grados, sur cero, este positivo (ver la Figura 1.4 para una mejor descripción de este ángulo); y es la declinación solar, la posición angular del sol respecto al plano ecuatorial, en grados.
Figura 1.4: Definición del ángulo cenital del sol, la altura solar y el azimut. Fuente: [17]
Para todos los efectos prácticos, la refracción de la atmósfera de la Tierra tendrá una influencia despreciable sobre la altura solar aparente, la cual es levemente menor que la altura calculada. La diferencia varía desde 0 ’ (minutos) en el cenit, hasta 34 ’ en la horizontal. Es levemente dependiente, de la temperatura y presión atmosférica, y esta tabulada en los almanaques para
entre 80 y 90 , donde el efecto es máximo.
18
La ecuación 1.11 puede ser resuelta para el ángulo horario de salida del sol
. A la salida
90 . Lo que resulta en:
del sol
cos
tan
tan
Ec. 1.14 [17]
Nótese que el ángulo horario de la salida del sol es igual al ángulo horario de apuesta del sol excepto por la diferencia de signo. De la ecuación precedente, puede ser calculada la duración del día. La duración del día es 2
, y cuando se expresa en horas tiene la siguiente forma: 2 cos 15
tan
tan
Ec. 1.15 [17]
Tipos y Clasificación de seguidores solares Los seguidores solares pueden ser clasificados según el modo de movimiento que realicen, y según el tipo de control que empleen. [18] 1.4.3.1. Según el tipo de movimiento o grados de libertad 1.4.3.1.1. Seguidor de un solo eje [14]
La rotación de la superficie de captación se hace sobre un solo eje, este puede ser horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento no presenta mayor grado de complejidad y su costo es menor en comparación con otros tipos de seguidores. La limitación de este tipo de seguidor consiste en que no puede realizar un seguimiento completo del sol ya que solo puede seguir ya sea la azimut o la inclinación solar, pero no ambas. 1.4.3.1.2. Seguidor de dos ejes [14]
Este tipo de seguidor cuenta con dos grados de libertad y está en capacidad de realizar un seguimiento total del sol, tanto en inclinación como en azimut, aunque el rendimiento de la instalación puede ser superior en comparación con los de un solo eje, es importante
19
mencionar que el de dos ejes resulta ser más costoso. Son los únicos en que la superficie de los módulos siempre es perpendicular al Sol todo el día durante todo el año. Figura 1.5.
Figura 1.5: Seguidor solar de dos ejes. Fuente: [14]
De este tipo hay dos clases:
Monoposte: un único apoyo central.
Carrousel: varios apoyos distribuidos a lo largo de una superficie circular.
1.4.3.2. Según el tipo de control
Existen dos tipos de control para efectos de seguimiento del Sol. El control de lazo abierto, y el control de lazo cerrado, la lógica de control a utilizar se refiere a la forma de seguimiento solar propiamente. Independientemente de cómo se materialice el control en el actuador. 1.4.3.2.1. Seguidores de lazo abierto [16]
A diferencia del control de lazo cerrado, el control de lazo abierto carece de retroalimentación en el sistema, por tanto, no existe sensor que mida la salida y nos proporcione información para corregir el seguimiento del Sol. Sin embargo, la posición del Sol es conocida por otros medios que permiten situar los paneles correctamente en dirección con este. Unos ejemplos de este tipo de sistema son: el seguimiento por dilación de determinados gases (sistema neumostático) y el seguimiento por programación astronómica.
20
1.4.3.2.2. Seguidores de lazo cerrado [16]
El control de lazo cerrado implica una retroalimentación en el sistema, ésta es dada por un sensor capaz de proporcionar información acerca de la posición solar con respecto al plano terrestre, dicha información permite posicionar los paneles en la dirección de máxima incidencia de radiación solar. Un ejemplo de este tipo son los seguidores que emplean fotodetectores para determinar la posición del Sol.
Técnicas básicas de seguimiento solar Para poder realizar el seguimiento del sol, actualmente los dos sistemas más empleados son: la fotodetección y programación astronómica. Se utiliza sensores de luz o algoritmos matemáticos respectivamente que indiquen con la mayor precisión posible donde se encuentra el Sol. 1.4.4.1. Seguimiento con fotosensores [15]
Esta técnica es la más simple e inmediata para el seguimiento del Sol, el cual emplea elementos fotosensibles que dan una medida de error de puntería respecto a la dirección del Sol. Los elementos fotosensibles pueden ser células solares fotovoltaicas, fotoresistencias, fotodiodos, fototransistores, etc., cuya utilización depende de la precisión deseada y coste a que estemos obligados. Los elementos normalmente van colocados a pares, de manera que la medida de la desviación de puntería se basa en la existencia de una señal de error, diferencia entre las señales de salida de los elementos de un mismo par, debida a la mayor o menor incidencia de la luz en cada uno de ellos según su posición. 1.4.4.2. Seguimiento con programación astronómica [15]
Este tipo de seguidor presenta una total independencia de las condiciones climáticas ya que consiste en la introducción a un autómata de unos algoritmos matemáticos y unas
21
variables, que dependen de la posición geográfica de la planta y de la situación temporal (año, mes, día y hora), que predicen con mayor precisión y exactitud la ubicación del sol en cualquier momento. La plataforma de los paneles se mueve según el algoritmo le diga que el sol está en una posición u otra. Aunque este tipo de seguidor resulta ser de gran precisión cabe mencionar que la implementación del algoritmo representa un alto grado de complejidad.
Principales subsistemas constituyentes de un seguidor Los principales subsistemas constituyentes de un seguidor son:
Subsistema de captación.- Este subsistema se encarga de captar la energía del Sol, almacenarla en bancos de baterías para su uso inmediato o posterior, en DC o AC, por las cargas que se vean convenientes. Está constituido principalmente: por un panel fotovoltaico, como medio receptor de la radiación solar y transductor de la misma en energía eléctrica, baterías o acumuladores, un regulador de cargadescarga y dependiendo de su uso un inversor.
Figura 1.6: Sistema de captación de energía solar. Fuente: http://www.adrformacion.com/udsimg/solarfoto/1/Aislada.gif
22
Subsistema mecánico.- Este subsistema contempla todo el arreglo mecánico (piezas mecánicas) que tiene como función: Uno; brindar el soporte necesario (estructura) a los elementos pertinentes de un subsistema, Dos; transformar o transmitir el movimiento desde las fuentes que lo generan (conversión de tipos de energía), con objeto de producir movimiento en algún elemento(s) de un sistema.
Subsistema de control.- Este subsistema se encarga de inspeccionar, dominar y dirigir toda la actividad de ubicar los paneles en dirección del sol, de modo que la captación de radiación solar sea optima, en su desplazamiento diario y anual. Y para ello consta de los siguientes componentes principales, según el tipo de seguimiento que se adopte (analógico o discreto), en este caso se hará un seguimiento analógico.
23
1.5. SENSOR FOTOELÉCTRICO Un sensor fotoeléctrico o sensor de luz, es un dispositivo electrónico que responde al cambio en la intensidad de la luz. Se usan para detectar el nivel de luz y producir una señal de salida representativa respecto a la cantidad de luz detectada. Un sensor de luz incluye un transductor fotoeléctrico para convertir la luz a una señal eléctrica y puede incluir electrónica para condicionamiento de la señal, compensación y formateo de la señal de salida. Están diseñados especialmente para la detección, clasificación y posicionado de objetos. Los sensores de luz más típicos son: [24] Tabla 1.1: Tipos de fotosensores.
1
2
3 4
5
Fotoresistencia (LDR).- Resistor dependiente de la luz, LDR (light dependent resistor), es un componente electrónico cuya resistencia disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Fotodiodo.- Es un semiconductor construido con una unión PN, sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por la luz. Fototransistor.- Un fototransistor es igual a un transistor común, con la diferencia de que el fototransistor se utiliza principalmente con el pin de la base sin conectar. Célula fotovoltaica.- Es un dispositivo electrónico que permite transformar la energía lumínica (fotones) en energía eléctrica (flujo de electrones libres) mediante el efecto fotoeléctrico, generando energía solar fotovoltaica. Sensor CCD.- Dispositivo de carga acoplada, CCD (charge coupled device), es un circuito integrado que contiene un número determinado de condensadores enlazados o acoplados. Bajo el control de un circuito interno, cada condensador puede transferir su carga eléctrica a uno o a varios de los condensadores que estén a su lado en el circuito impreso. Sensor CMOS.- Un sensor de píxeles activos, APS (active pixel sensor), es un sensor que detecta la luz basado en tecnología CMOS y por ello más conocido como Sensor CMOS.
6 El APS, al igual que el sensor CCD, se basa en el efecto fotoeléctrico. Está formado por numerosos fotositos, uno para cada píxel, que producen una corriente eléctrica que varía en función de la intensidad de luz recibida. Fuente: [24]
24
Fotoceldas o celdas fotovoltaicas Una fotocelda es un tipo de sensor fotoeléctrico que basa su funcionamiento en el efecto fotovoltaico, el cual se produce al incidir la radiación solar (fotones) sobre materiales semiconductores extrínsecos y generar en estos una diferencia de potencial. Si bien en la actualidad las celdas fotovoltaicas se utilizan para captar energía solar y cargar baterías, un sensor basado en una fotocelda tiene la ventaja de poder activar un circuito con su propia energía ante la presencia de suficiente luz. Su uso es recomendado para mediciones diarias de irradiación solar total sobre un plano horizontal o para observar pequeños cambios rápidos de irradiación debido a su gran sensibilidad y respuesta casi instantánea.
Figura 1.7: Sensores fotoeléctricos de fotocelda. Fuente: Elaboración propia.
25
1.6. AMPLIFICADOR OPERACIONAL Los amplificadores operacionales o Op-amp (Operational amplifier), son dispositivos de estado sólido extremadamente versátiles y fáciles de usar que se emplean como bloques constructivos básicos en gran variedad de circuitos electrónicos, tanto analógicos como digitales. [3] Un amplificador operacional es, básicamente, un amplificador de voltaje de muy alta ganancia, que utiliza técnicas de realimentación para controlar sus características de desempeño. [3]
Amplificador operacional ideal [3] El Op-amp permite diseñar distintas aplicaciones, tanto lineales como no lineales. Para poder analizar cada aplicación particular adecuadamente, se considera al Op-amp como ideal. El circuito del Op-amp ideal se presenta en la Figura 1.8 y tiene las siguientes propiedades listadas en la Tabla 1.2: [3]
Figura 1.8: Diagrama de un amplificador operacional ideal. Fuente: [3]
Tabla 1.2: Propiedades del Op-amp ideal.
El voltaje entre las terminales y – es cero; esto es, . Esta propiedad se conoce comúnmente como tierra virtual o corto virtual. Las corrientes dentro de las terminales y – es cero. Por tanto la impedancia de 2 entrada es infinita. La impedancia vista hacia la terminal de salida es cero. Por tanto, la salida es una 3 fuente de voltaje ideal. La relación entrada-salida es , donde la ganancia tiende a 4 infinito. 1
Fuente: [3]
26
La aplicación de estas propiedades ideales permite determinar la relación entrada-salida de muchas configuraciones del Op-amp.
El Op-amp como dispositivo de control [3] En sistemas de control, los Op-amps se emplean a menudo para implantar controladores por medio de su función de transferencia, en el dominio o en tiempo continuo, que se obtienen del proceso de diseño de sistemas de control. Por ello, es bueno tener en consideración sus diferentes tipos de configuración.
Configuraciones de amplificadores operacionales de primer orden [3] Aunque existen muchas alternativas posibles, sólo se exploran aquellas que emplean la configuración del Op-amp inversor que se muestra en la Figura 1.9.
y
son las
impedancias compuestas comúnmente por resistores y capacitores, los inductores no se emplean comúnmente porque tienden a ser voluminosos y caros. Al emplear las propiedades del Op-amp ideal, la relación entrada-salida, o la función de transferencia del circuito que se muestra en la Figura 1.9 se puede escribir en diversas formas como: 1
Ec. 1.16 [17]
Figura 1.9: Configuración de un Op-amp inversor. Fuente: [3]
27
En base al esquema de la Figura a6 se puede implantar una serie de funciones de transferencia, únicamente hay que seleccionar el elemento a considerar. La Figura 1.10 lista las funciones de transferencia según
y
sean los elementos correspondientes.
Figura 1.10: Funciones de transferencia de un Op-amp en configuración inversora. Fuente: [3]
28
1.7. CONTROLADOR PROPORCIONAL DERIVATIVO En los sistemas de control, el controlador ha sido típicamente un amplificador simple con una ganancia constante
. Este tipo de acción de control se conoce formalmente como
control proporcional, ya que la señal de control a la salida del controlador está relacionada con la entrada del controlador mediante una constante proporcional. [3] En forma intuitiva, se debe ser capaz de emplear la derivada o la integral de la señal de entrada, además de la operación proporcional. En consecuencia, se puede considerar un controlador en tiempo continuo más general como aquel que contiene componentes tales como sumadores (suma y resta), amplificadores, atenuadores, diferenciadores e integradores. [3]
Controlador de acción proporcional derivativa (PD) La acción de control derivativa genera una señal de control proporcional a la derivada de la señal de error, es decir, se opone a desviaciones de la señal de entrada, con una respuesta que es proporcional a la rapidez con que se producen éstas. [23] Si consideramos que: Salida diferencial. Error (diferencia entre medición y punto de consigna). El punto de consigna no es otra cosa que el nivel deseado al que queremos que vuelva el sistema. Tiempo diferencial, se usa para dar mayor o menor trascendencia a la acción derivativa. La salida de este regulador es:
Ec. 1.17 [23]
Que, en el dominio de Laplace, será:
Ec. 1.18 [23]
29
Por lo que su función de transferencia será: =
( ) = ( )
Ec. 1.19[RA]
El regulador diferencial tampoco actúa exclusivamente, si no que siempre lleva asociada la actuación de un regulador proporcional. La salida del bloque de control PD responde a la siguiente ecuación: =
( )
Que en el dominio de Laplace será:
,
+
( )
=
=
(constantes diferencial y proporcional) y
+
+
( )
Ec. 1.20 [23]
Ec. 1.21 [23]
son parámetros ajustables del sistema.
es llamado tiempo derivativo y es una medida de la rapidez con que un controlador PD
compensa un cambio en la variable regulada, comparado con un controlador P puro. La función de transferencia del bloque de control PD es igual a: =
( ) = ( )
+
Ec. 1.22 [23]
Figura 1.11: Sistema de control con el control PD. Fuente: [3]
30
La implementación electrónica de la función de transferencia del controlador PD, se lo puede realizar de varias formas y empleando para ello también una diversidad de dispositivos. El circuito de la Figura 1.12, respecto a otras configuraciones presenta la ventaja de una selección independiente de
y
. [3]
Figura 1.12: Circuito con Op-amps del controlador PD. Fuente: [3]
Del análisis del circuito de la Figura 1.12 resulta: =
∧
=
Un hecho importante del controlador PD es que si el valor de capacitor
Ec. 1.23 [3]
es grande, se requerirá un
grande.
31
1.8. MOTORES DC EN SISTEMAS DE CONTROL [3] Esta máquina es una de las ampliamente utilizadas en la industria actualmente debido a su versatilidad. Hace años la mayoría de los servomotores pequeños empleados para propósitos de control eran de la variedad AC (Alternating Current). En realidad, un motor AC es más difícil de controlar, especialmente para control de posición, y sus características no son lineales. Por otro lado, su fácil control de posición, par y velocidad de los motores DC (Direct Current) las han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control y automatización de procesos.
Principios de operación básicos de motores DC [3] El motor DC, es básicamente un transductor de par que convierte energía eléctrica en energía mecánica. El par desarrollado en el eje del motor es directamente proporcional al flujo en el campo y a la corriente en la armadura.
Figura 1.13: Producción del par en un motor DC. Fuente: [3]
Un conductor que lleva corriente está colocado en un campo magnético con flujo, a una distancia
del centro de rotación. La relación entre el par desarrollado, el flujo, y la
corriente es:
33
Ec. 1.24 [3]
en donde
es el par del motor Nm ,
armadura A ,
es el flujo magnético Wb ,
es la constante de proporcionalidad y
es la corriente de
es la constante del par Nm⁄A .
Además del par desarrollado por el arreglo mostrado en la Figura 1.13, cuando el conductor se mueve en el campo magnético, se genera un voltaje entre sus terminales. Este voltaje, la fuerza contraelectromotriz, la cual es proporcional a la velocidad del eje, tiende a oponerse al flujo de corriente. La relación entre la fuerza contraelectromotriz y la velocidad del eje es:
Ec. 1.25 [3]
donde motor y
denota la fuerza contraelectromotriz V ,
es la velocidad del eje rad⁄s del
es la constante de la fuerza contraelectromotriz V⁄rad⁄s .
Las ecuaciones 1.24 y 1.25 forman junto a las ecuaciones 1.26 y 1.27 la base de la operación de los motores DC.
Ec. 1.26 [3]
Ec. 1.27 [3]
donde:
es el voltaje de armadura V ,
es la resistencia de armadura Ω , y
Nm⁄rad⁄s son los coeficientes de inercia y fricción viscosa del eje del motor.
Kgm
y
Clasificación básica de motores DC [3]
En general, el campo magnético de un motor DC se puede producir por bobinas o imanes permanentes, pero, debido a la popularidad de los motores DC de imán permanente en aplicaciones de sistemas de control, nos concentraremos en este tipo de motor.
34
Los motores de corriente directa de imán permanente se pueden clasificar de acuerdo con el esquema de conmutación y al diseño de la armadura. Los motores de DC convencionales tienen escobillas mecánicas y conmutadores, sin embargo, en una clase importante de motores DC la conmutación se hace en forma electrónica; este tipo de motor se llama motor de DC sin escobillas. La Figura 1.14 muestra una clasificación básica de los motores DC.
Figura 1.14: Sub clases de motores de corriente directa. Fuente: [7]
De acuerdo con la construcción de la armadura, el motor DC de imán permanente se puede descomponer en tres tipos de diseño de armadura: Tabla 1.3: Motores DC según su diseño de armadura.
1
Motores de núcleo de hierro.
2
Motores de devanado superficial.
3
Motores de bobina móvil.
Fuente: [3]
35
Motor DC de imán permanente de núcleo de hierro Las máquinas de imán permanente son extensivamente usadas en servomotores, accionamientos eléctricos para posicionamiento, robótica, máquinas herramienta, ascensores, etc.. También es posible su aplicación en generación y bombeo a partir de energía solar fotovoltaica o energía eólica. [22] La configuración del rotor y estator de un motor DC de imán permanente de núcleo de hierro se muestra en la Figura 1.15. El material del imán permanente puede ser barioferrita, alnico, o un compuesto de "tierras raras". [3]
Figura 1.15: Sección transversal de un motor DC de imán permanente de núcleo de hierro. Fuente: [3]
Este tipo de motor DC está caracterizado por: Tabla 1.4: Características del motor DC de IP de nucleo de hierro.
1 Girar a altas velocidades. 2 El par generado es relativamente bajo. Presenta una inercia del rotor relativamente alta (ya que la parte giratoria está 3 formada por las bobinas de la armadura) 4 Una inductancia de rotor alta. 5 Bajo costo y alta confiabilidad. Fuente: [3]
36
Debido a su reducido par, estos motores se acoplan generalmente con cajas reductoras para aumentar el torque generado por el motor. En la actualidad los diferentes tipos de motores de corriente continua son complejos, ya que presentan características avanzadas, como ser: sensores, cajas reductoras, encoder, rodamientos, entre otros (Figura 1.16).
Figura 1.16: Componentes de un motor DC eléctrico moderno. Fuente: [23]
37
1.9. EL POTENCIÓMETRO Un potenciómetro es un transductor electromecánico que convierte energía mecánica en energía eléctrica. La entrada del dispositivo es una forma de desplazamiento mecánico, ya sea lineal o de rotación. [3] Cuando se aplica un voltaje a través de las terminales fijas del potenciómetro, el voltaje de salida, que se mide entre la terminal variable y tierra, es proporcional al desplazamiento de entrada, ya sea linealmente o de acuerdo con alguna relación no lineal. [3] Los potenciómetros rotatorios están disponibles comercialmente en presentaciones de una o varias revoluciones múltiples, con movimiento de rotación limitado o no limitado. La Figura1.17 muestra un potenciómetro rotatorio.
Figura 1.17: Potenciómetro rotatorio lineal. Fuente: http://3.bp.blogspot.com/jfVqk3na1kM/VOKgRH06ZHI/AAAAAAAAAQo/slqFuEJZ76Y/s1600/pote.png
El potenciómetro se puede usar para indicar la posición absoluta de un sistema o la posición relativa de dos salidas mecánicas, puesto que, el voltaje de salida será proporcional a la posición del eje, en el caso de un movimiento rotatorio lineal. [3]
donde
es el voltaje de salida [V],
constante de proporcionalidad.
=
Ec. 1.28 [3]
posición del eje del potenciómetro [rad] y
es la
38
Para un potenciómetro de
vueltas, el desplazamiento total del brazo variable es 2
radianes, por tanto, la constante de proporcionalidad
donde
=
2
, está dada por:
Ec. 1.29[RA]
es la magnitud del voltaje de referencia aplicado a las terminales fijas [V].
Para control de precisión, como el control de posición, el potenciómetro de plástico conductivo es preferible, ya que tiene una resolución infinita, larga vida rotacional, una salida suave, y bajo ruido estático.
39
CAPÍTULO II
INGENIERÍA DEL PROYECTO
Teniendo toda la base fundamentada de la teoría descrita en el anterior capítulo, se procederá al diseño y desarrollo de la ingeniería del proyecto. De acuerdo a la problemática planteada en Aspectos preliminares: Para lograr optimizar la energía obtenida de una instalación fotovoltaica existen dos metodologías. La primera, consiste en mejorar los componentes internos de un panel fotovoltaico de manera que su rendimiento aumente; La segunda, consiste en aumentar la cantidad de radiación solar recibida por el panel. El trabajo de investigación encarado en el proyecto se enfoca en la segunda metodología. Para esto se busca que el área del panel fotovoltaico permanezca en posición perpendicular, esto en virtud a un seguidor, al ángulo de incidencia de los rayos solares. El sistema tiene que seguir la trayectoria del Sol desde el amanecer hasta el anochecer y así conseguir orientación e inclinación óptimas respecto al Sol durante todo el día, aprovechando al máximo la totalidad de la radiación solar diaria. Este posicionamiento 40
continuo será posible gracias a la intervención de dos de los subsistemas del seguidor, el subsistema mecánico y el subsistema de control, el cual comandará la acción de la parte mecánica. Las herramientas que fueron utilizadas en el diseño y análisis del seguidor solar y sus respectivos subsistemas fueron: SolidWorks, MatLab y Proteus, las cuales se detallarán en sus respectivos campos de acción. De acuerdo a lo mencionado, cada software ofreció una variedad de herramientas, para mejorar y optimizar cada uno de los diseños que se realizaron.
2.1. DISEÑO Y DESARROLLO ELÉCTRICO Dimensionamiento de la instalación fotovoltaica La instalación fotovoltaica del sistema de seguimiento solar, definida para la aplicación, se muestra en la Figura 2.1.
Figura 2.1: Instalación fotovoltaica del sistema de seguimiento solar. Fuente: Elaboración propia.
41
A partir del esquema eléctrico definido en la Figura 2.1 se dimensionará cada uno de los equipos y dispositivos que lo conforman. Para ello se definirán ciertos parámetros y condiciones. 2.1.1.1. Datos de partida 2.1.1.1.1. Lugar de emplazamiento
La instalación solar fotovoltaica para el seguidor solar de autoconsumo eléctrico, se emplazará en la ciudad de Sucre, cuyas coordenadas geográficas son:
Coordenadas Geográficas (DMS): 19° 01′ 59′′ Sur 65° 15′ 45′′ Oeste. Coordenadas Decimales: − 19,0431 Latitud − 65,2892 Longitud.
La tensión de suministro del subsistema de captación será de 24 V en corriente continua,
esto en virtud de que este voltaje nos permitirá obtener un voltaje simétrico de ± 12 V para alimentar los circuitos del subsistema de control. 2.1.1.1.2. Disposición de los módulos
La disposición de los módulos fotovoltaicos, definido por su orientación e inclinación, repercute de manera decisiva en su rendimiento. Por lo que, como es lo ideal, se empleara módulos con seguidor que permiten en todo momento orientar los paneles fotovoltaicos hacia el Sol, lo que garantiza el máximo uso de la radiación solar. Se estima en un 30% el incremento de la potencia entregada por los módulos con el sistema de seguimiento incorporado. 2.1.1.1.3. Estimación del consumo
En vista que el seguidor diseñado es un prototipo piloto, este no abastecerá cargas adicionales más que aquellas necesarias para su desempeño propio.
42
Esta condición minimiza su consumo, por ende, la potencia de los motores (66 W) se constituyen en las únicas cargas de consideración. Asumiendo un factor de seguridad recomendado del 30% (picos de arranque), un régimen de funcionamiento continuo, muy optimista, de 1 hora de los motores y un rendimiento de la placa de control de 0,95, la demanda será:
Donde: valor,
=
+
0,3 = 138,95 + 138,95 ∗ 0,3 = 180,64 Wh
, es la potencia absorbida por el conjunto placa de control – motores, de = 132⁄0,95 = 138,95 W; , es el tiempo estimado de funcionamiento.
El anterior valor no tiene en cuenta las pérdidas localizadas en los componentes y equipos situados entre los generadores solares y la instalación eléctrica interior, como el dispositivo regulador y las baterías. Suponiendo un rendimiento en el regulador igual a 0,95 y un rendimiento igual a 0,94 en las baterías, el consumo final estimado ( =
′), para las 12 horas de operación (día), valdrá:
180,64 Wh = 202,3 0,95 ∗ 0,94 día
expresado en Ah (amperio hora), con la tensión de trabajo en las baterías igual a 24 V, será:
= 2.1.1.1.4. Radiación solar disponible
202,3 Ah = 8,4 24 día
A una hipotética irradiancia solar constante de 1000 W/m , el promedio diario de horas
de sol pico (HSP) del país es de 5 kWh⁄m ⁄día, dato proporcionado por ENERGETICA y que asumiré para los cálculos.
43
2.1.1.2. Cálculo de la Instalación 2.1.1.2.1. Número y conexionado de los módulos
El número de paneles necesarios será:
ó
=
Ec. 2.1 í
siendo: , el consumo diario estimado, definido anteriormente. , es la potencia pico del módulo HIT POWER 240 , seleccionado en condiciones
estándar de medida (CEM), de valor 240 W; í
, es el valor de las horas de sol pico del mes crítico (en este caso Enero), definido
en 6,78 HSP.
, es el "Performance Ratio" de la instalación o rendimiento energético de la instalación,
definido como la eficiencia de la instalación en condiciones reales de trabajo, donde se tienen en cuenta las siguientes pérdidas originadas:
Pérdidas por dispersión de potencia de los módulos (según hoja de especificaciones
del panel es igual a 10%).
especificación 0,3%).
Pérdidas por incremento de temperatura de las células fotovoltaicas (según
Pérdida debida a la acumulación de suciedad en los módulos (no más del 3%). Pérdidas por sombras (estimado en torno al 4%).
Pérdidas por degradación de los módulos (se admite un 1%). Pérdidas eléctricas (recomendado 1,5% para la parte DC). Pérdidas por reflectancia (estimado en 3%).
Finalmente, contabilizando todas las pérdidas anteriores, se obtiene: = 100% − 10% − 0,3% − 3% − 4% − 1% − 1,5% − 3% = 77,2% 44
Reemplazado los datos en la ecuación 2.1 se tiene:
ó
=
202,3 = 0,22 ≅ 1 módulo 240 ∗ 5 ∗ 0,772
Se instalarán finalmente 1 módulo fotovoltaico, del tipo hibrido HIT POWER 240, marca PANASONIC (ver Anexo C).
En vista de que la tensión en el punto de máxima potencia (VMP) del módulo seleccionado es de 43,7 V, es por demás suficiente para alcanzar la tensión de trabajo del sistema, que es de 24 V.
2.1.1.2.2. Calculo de las baterías
Para el cálculo de las baterías solares, definí unos parámetros importantes y necesarios para su dimensionado, como son: 1 Profundidad de descarga máxima estacional, 2 Profundidad de descarga máxima diaria,
á ,
á ,
=
% ( ,
)
= 25% (0,25)
3 Número de días de autonomía, n = 3 días (que es el mínimo recomendado)
Por tanto, la capacidad nominal de las baterías en cada caso será: =
,
,
=
n
á ,
á ,
=
8,4 ∗ 3 = 33,6 Ah 0,75
=
8,4 = 33,6 Ah 0,25
Casualmente ambas capacidades son iguales, por tanto, como conclusión se tomará como valor mínimo de la capacidad de las baterías el valor obtenido, es decir,
,
= 33,6 Ah.
Para satisfacer el voltaje de trabajo del subsistema de captación, de valor 24 V, se empleara para la aplicación dos baterías TOYO, modelo N70S, de 12V tensión nominal y capacidad de 70 Ah (ver Anexo C), conectados en serie.
45
2.1.1.2.3. Cálculo del regulador
Para la selección del regulador de carga es necesario calcular cuál será la máxima corriente que deberá soportar, tanto en la entrada como en su salida. La máxima corriente de entrada al regulador (
), que proviene de los módulos
fotovoltaicos es: = 1,25
Donde; valor
, es la intensidad de cortocircuito del módulo fotovoltaico seleccionado, de = 5,85 A (CEM), 1,25 es un factor de seguridad para evitar daños ocasionales al
regulador. Por tanto:
= 1,25 ∗ 5,85 = 7,31 A
La máxima corriente esperada a la salida del regulador (
), es decir, del lado del consumo
de la instalación interior, para la aplicación será: = Donde; alimentar,
1,25
, es la potencia de las cargas en continua (o corriente directa) que haya que , es la tensión de trabajo de la batería de acumulación.
En esta ocasión, el consumo eléctrico sólo será en corriente directa, siendo la potencia máxima prevista de consumo (
) de 171,6 W, por lo que: =
1,25 ∗ 180,64 = 9,4 A 24
En conclusión, el regulador deberá soportar una corriente, como mínimo de 7,31 A en su entrada y de 9,4 A en su salida.
46
El regulador de carga seleccionado es de la marca VICTRON ENERGY , modelo BLUESOLAR 12/24 V con temporizador, el cual proveerá a la instalación: 1 Protección contra sobrecarga.
2 Protección contra descarga total. 3 Protección contra polaridad inversa de los módulos, la carga y la batería. 4 Protección contra cortocircuito de la carga y los módulos solares. por mencionar algunos. Para más detalle del producto y sus características técnicas ver Anexo C. 2.1.1.2.4. Cableado y protecciones
Cada uno de los tramos que componen la instalación (Figura 2.1) poseerá una sección proporcional a la intensidad de corriente (ecuación 2.2, para la parte DC) que circula por cada uno de ellos, esto según los equipos que interconecten. =
2 ∆
Ec. 2.2
Donde: , es la sección del cable conductor, en mm ; , es la longitud del cable conductor en ese tramo, en m; , es la intensidad de corriente máxima que circula por el conductor, en A;
, es la caída de tensión máxima permitida en los conductores, que según se indica en
el Pliego de Condiciones Técnicas del IDAE, deberá ser en los conductores de continua como máximo del 1,5%; , es la conductividad del material que forma el conductor, en este caso cobre, cuya conductividad a 20 ℃ es de 56 m/Ωmm .
En la Tabla 2.1 se puede apreciar la sección del conductor requerido, para cada tramo de la instalación, definido en base al valor estimado de cada parámetro de la ecuación 2.2
47
Tabla 2.1: Secciones de conductor de los tramos de la instalación fotovoltaica.
ΔV
3
7,31
0,66
56
1,20
1,50
16
0,5
7,31
0,36
56
0,36
0,75
18
0,5
7,24
0,36
56
0,36
0,75
18
2
6,87
0,18
56
2,04
2,50
14
C(
S
Sección normalizada
I
Tramo Generador FV a Regulador Regulador a Acumulador Regulador a Placa de control Placa de control a Motores
)
L
Fuente: Elaboración propia.
Todos los tramos se van a componer de dos conductores flexibles activos (positivo y negativo) tipo PV ZZF (especialmente concebidos para aplicaciones fotovoltaicas, ver Anexo C) más un conductor de protección, en este caso, de igual sección que los
conductores activos. Todos los conductores estarán instalados al aire libre, además, el cableado completo estará sujeto al reglamento electrotécnico de baja tensión NB 777. Tabla 2.2: Intensidades de corriente y secciones de cable en tramos.
Tramo
Generador FV a Regulador Regulador a Acumulador Regulador a Plac de control Placa de control a Motores
Sección de cable
Intensidad admisible (al aire libre)
Intensidad máxima admisible
Intensidad de corriente del tramo
1,50
30
27,3
7,31
0,75
15
13,65
7,31
0,75
15
13,65
7,24
2,50
41
37,3
6,87
Fuente: Elaboración propia.
Para la protección contra sobreintensidades originadas por sobrecargas o cortocircuitos se empleará fusibles.
48
Protección del generador fotovoltaico
Calibre del fusible:
Tensión asignada:
Protección de la carga
1,75
1,2
1,75 ∗ 5,85
1,2 ∗ 52,4
10,23 A.
62,88 V.
Para que el fusible seleccionado sea efectivo, se debe cumplir que:
Siendo:
0,9
, la intensidad de corriente que recorre la línea;
fusible asignado a la línea;
, la intensidad nominal del
, es la máxima intensidad admisible del cable conductor de
la línea. En el caso particular: ,
Tramo Regulador a Placa de control
7,24
10
13,5
En este caso se eligió fusibles cilíndricos tipo gPV de 15 A/600 V DC y 10 A/600 V DC, de uso específico para instalaciones fotovoltaicas, de la marca DF ELECTRIC, que
proporcionan una adecuada protección contra sobrecargas y cortocircuitos de acuerdo a la norma IEC 602696, y con una corriente mínima de fusión de 1,35I , capaz de interrumpir
el paso de todas las corrientes que vayan desde su valor de intensidad nominal (I ) hasta su poder de corte asignado (30 kA). Las bases modulares (portafusibles) serán de tipo PMX 1000 V DC en versión unipolar, de la marca DF ELECTRIC, recomendados para utilizar con fusibles cilíndricos talla 10 según norma IEC/EN 60269.
38
Según el esquema eléctrico (Figura 2.1) definido para la instalación fotovoltaica del sistema seguidor solar y su posterior dimensionamiento, en la Figura 2.2 se presenta su diagrama unifilar.
49
Figura 2.2: Diagrama unifilar de la instalación fotovoltaica del sistema de seguimiento solar. Fuente: Elaboración propia.
50
2.2. DISEÑO Y DESARROLLO MECÁNICO Estudio cinético de la trayectoria solar para la ciudad de sucre Para definir la velocidad angular del sistema seguidor solar en cada uno de sus giros se debe tener claro el recorrido que el Sol efectúa por la bóveda celeste cada día respecto a un lugar específico en la Tierra, en este caso la ciudad de Sucre. 2.2.1.1. Recorrido del Sol
Para determinar el recorrido del Sol respecto a nuestra ubicación (Sucre, cuyas coordenadas geográficas son: latitud
19,0431 S y longitud
65,2892 W), se realizó un
cálculo de parámetros astronómicos de posicionamiento en base a la aplicación de las fórmulas de Spencer (1971), citados en el marco teórico sección 1.3.2.
Del cálculo resulta la Tabla del Anexo B.1, en la Tabla 2.3 se presenta un resumen de la misma.
51
Tabla 2.3: Resumen de cálculo de parámetros astronómicos de posicionamiento para Sucre.
dn
Γ rad
ρ2
δ rad
Et grad
min
θz(ω=0) rad
grad
ωs(θz=π/2) rad
grad
α rad
ψ(α=0) grad
rad
grad
Nd h
Fecha
1
0,000 0,966 -0,402 -23,06 -2,904 0,070 4,02
1,718 98,45 1,501 85,98 1,998 114,48 13,127 1 de Enero
2
0,017 0,966 -0,401 -22,98 -3,098 0,069 3,94
1,718 98,42 1,502 86,06 1,997 114,39 13,122 2 de Enero
25
0,413 0,969 -0,335 -19,17 -5,801 0,002 0,12
1,691 96,89 1,569 89,88 1,926 110,32 12,919 25 de Enero
26
0,430 0,969 -0,330 -18,92 -5,817 0,002 0,12
1,689 96,80 1,569 89,88 1,921 110,06 12,906 26 de Enero
79
1,343 0,992 -0,008 -0,46
6,154
0,324 18,58 1,574 90,16 1,246 71,42 1,579 90,49
12,021 20 de Marzo
80
1,360 0,992 -0,001 -0,07
6,515
0,331 18,98 1,571 90,02 1,240 71,02 1,572 90,07
12,003 21 de marzo
171 2,926 1,034 0,409
23,44
2,034
0,741 42,48 1,421 81,39 0,829 47,52 1,136 65,11
10,852 20 de Junio
172 2,944 1,034 0,409
23,45
1,567
0,742 42,50 1,420 81,39 0,829 47,50 1,136 65,10
10,852 21 de Junio
263 4,510 1,009 0,025
1,41
-7,880 0,357 20,46 1,562 89,51 1,214 69,54 1,545 88,50
11,935 20 de Septiembre
264 4,527 1,008 0,018
1,03
-7,554 0,350 20,07 1,565 89,65 1,221 69,93 1,552 88,91
11,953 21 de Septiembre
321 5,509 0,977 -0,328 -18,81 4,478
0,004 0,23
1,689 96,75 1,567 89,77 1,919 109,95 12,900 17 de Noviembre
322 5,526 0,977 -0,333 -19,06 4,447
0,000 0,01
1,690 96,85 1,571 89,99 1,923 110,21 12,913 18 de Noviembre
354 6,077 0,967 -0,409 -23,41 -0,377 0,076 4,36
1,721 98,59 1,495 85,64 2,005 114,85 13,146 20 de Diciembre
355 6,094 0,967 -0,409 -23,42 -0,593 0,076 4,38
1,721 98,60 1,494 85,62 2,005 114,86 13,146 21 de Diciembre
365 6,266 0,966 -0,404 -23,13 -2,706 0,071 4,09
1,719 98,48 1,499 85,91 1,999 114,55 13,131 31 de Diciembre
1
0,000 0,966 -0,402 -23,06 -2,904 0,070 4,02
1,718 98,45 1,501 85,98 1,998 114,48 13,127 1 de Enero
Fuente: Elaboración propia.
52
Del análisis de los datos de la Tabla 2.3 se concluye lo siguiente: 1
El recorrido azimutal máximo del Sol (esto en verano) será de
2
El Sol alcanzara el cenit (90 ) en dos oportunidades.
.
Todo lo mencionado se puede apreciar en la Figura 2.3, que fue elaborado en base a los datos de la Tabla del Anexo B.1.
Figura 2.3: Recorrido diario y anual del Sol para nuestra ubicación. Fuente: Elaboración propia.
53
2.2.1.2. Acotación de los ángulos de seguimiento 2.2.1.2.1. Ángulo de seguimiento en azimut Como se vio, la azimut varía anualmente entre un desplazamiento angular mínimo de 130 (esto en invierno) a un desplazamiento angular máximo de 230 (esto en verano).
Pero, debido a que las condiciones orográficas 9 del terreno difícilmente permiten una visualización completa del plano horizontal, además, la radiación solar en las primeras y últimas horas del día es reducida, es impráctico e inconveniente realizar el seguimiento del Sol en su total desplazamiento acimutal, por lo que se hace necesario realizar una acotación de este ángulo (Figura 2.4).
Figura 2.4: Acotación del ángulo acimutal de seguimiento. Fuente: Elaboración propia.
Para ello, como solución efectiva, se calculó el promedio del desplazamiento acimutal anual en base a datos de la Tabla del anexo B.1, resultando: 2∗∑
2∗∑
2 ∗ 32697 365
179,16 ≅ 180 grados
valor que coincide con el recorrido acimutal ideal para seguidores solares.
9
Orografía: Parte de la geografía que estudia los accidentes del relieve.
54
Sabiendo que el Sol se mueve 15 cada hora aproximadamente en el plano que contiene su
trayectoria, en el lapso de 12 horas se recorrerán los 180 acimutales necesarios (Figura 2.4).
2.2.1.2.2. Ángulo de seguimiento en elevación La altura solar ( ) varia desde 0 en el amanecer y anochecer hasta un valor pico diario al mediodía, comprendido para nuestra ubicación entre 48 y 90 , que es el cambio anual que presenta la altura solar para nuestra ubicación.
La altura solar máxima es de 90 y la misma se alcanza en dos oportunidades, la primera
cuando el Sol se desplaza al Sur ( 18 de Noviembre) y la otra cuando comienza su desplazamiento continuo al Norte (26 de Enero), (Figura 2.5).
Figura 2.5: Acotación del ángulo de elevación de seguimiento. Fuente: Elaboración propia.
55
Diseño del subsistema mecánico El diseño del subsistema mecánico del seguidor solar propuesto se realizó en base al seguidor solar FEINA SF9 (Anexo A.2), al cual se le hicieron las modificaciones técnicas pertinentes para la aplicación.
A continuación, en la Figura 2.6 se presenta el diseño propio de toda la estructura del seguidor solar automatizado, la cual está compuesta por seis partes fundamentales.
1
2 3
6
4
5
Figura 2.6: Diseño estructura – Seguidor solar. Fuente: Elaboración propia.
56
El diseño cumple con todas las características funcionales y técnicas de diseño y desarrollo para el presente proyecto. Tabla 2.4: Componentes de la estructura mecánica del seguidor solar.
N° Pieza 1
Parrilla
2
Armazón de sensado
Descripción Estructura de aluminio donde se apoyan los paneles FV. Estructura de aluminio donde se disponen los sensores.
Bloque de transmisión en
Conjunto de piezas para la transmisión de
elevación
movimiento en elevación.
Bloque de transmisión en
Conjunto de piezas para la transmisión de
azimut
movimiento en azimut.
5
Base
Estructura base de asiento.
6
Tablero de control
Centro de almacenamiento y control.
3
4
Fuente: Elaboración propia.
2.2.2.1. Parrilla
La estructura parrilla se presenta en la Figura 2.7 en una vista isométrica, en la cual se enumera sus principales piezas que la conforman y dimensiones milimétricas.
1 2
57
Figura 2.7: Superior; Diseño estructura – Parrilla, Inferior; Dimensiones en milímetros. Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.5: Principales partes de la parrilla.
N° Pieza 1
2
Descripción
Marco exterior Travesaños internos
Fuente: Elaboración propia.
Marco rectangular a base de tubo de aluminio métrico de perfil cuadrado de 40 x 40 x 4
Tubos de aluminio métrico de perfil rectangular de 70 x 40 x 4
La estructura de la parrilla, como se podrá apreciar en la Figura 2.7, fue diseñada mediante SolidWorks. La configuración del diseño presenta elementos de aluminio de diferentes medidas y dimensiones. A su vez, todos los elementos son estáticos ya que no presentan ninguna movilidad. Dentro del margen de diseño se tomaron las siguientes consideraciones:
Estabilidad y firmeza de la estructura.
Pese lo menos posible.
Este se sujetara a las pletinas que sobresalen del árbol por medio de cuatro tornillos DIN 4017
M6 x 55 y sus respectivas tuercas.
58
2.2.2.2. Armazón de sensado
El diseño del armazón se realizó igualmente con SolidWorks y está hecho completamente de aluminio, sus dimensiones obedecen a un único arreglo que define la sensibilidad de los fotosensores FV (ver sección 2.3.1.2). El armazón de sensado se muestra en la Figura 2.8, en una vista isométrica, en la cual se enumera sus principales piezas que la conforman y dimensiones milimétricas. Tabla 2.6: Principales partes del armazón de sensado.
N° Pieza
Descripción
1
Armazón
Estructura de aluminio que contiene los fotosensores.
2
Fotosensores Dispositivos electrónicos de detección de luz.
Fuente: Elaboración propia.
Para ver Plano técnico de la pieza ver Anexo B.2. 1
2
Figura 2.8: Izquierda; Diseño estructura – Armazón de sensado, Derecha; dimensiones en milímetros. Fuente: Elaboración propia.
El conjunto ira sujeto a la parrilla por medio de cuatro tornillos autoroscantes del tipo DIN 7982 – ST 2,9 x 6,5.
59
2.2.2.3. Bloque de transmisión en elevación
La Figura 2.9 muestra el diseño realizado en Solid Works de este bloque del subsistema mecánico, el cual tiene como función transmitir potencia desde los motoreductores hasta el eje de rotación en elevación (árbol), con el fin de permitir el posicionamiento continuo de los paneles para este grado de libertad. Como se puede observar, está compuesto por una serie de piezas. Una característica de diseño de este bloque del subsistema es que el conjunto se desplazara junto con el eje de rotación del bloque de transmisión en azimut. Las piezas fundamentales de los bloques de transmisión en elevación y azimut son el juego de engranes y los motorreductores, por tanto, su diseño como es el caso de los engranes y su selección en el caso de los motorreductores se tratará más adelante en apartados específicos.
4 1
2
3 5
6
8
7 Figura 2.9: Diseño de bloque de transmisión en elevación. Fuente: Elaboración propia.
60
Tabla 2.7: Piezas complementarias del bloque de transmisión en elevación.
N° Pieza 1
2
Pletina de sujeción
Descripción Pieza de acero inoxidable diseñada para sujetar la parrilla.
Cubopletina de
Pieza de acero inoxidable que sirve para alojar el árbol y
alojamiento
sujetar la pletina de sujeción por medio de pasadores. Tubo de acero inoxidable que se constituye en el eje del
3
Árbol
movimiento en elevación. Por ende a este va anexo, por medio de un pasador, el engrane de azimut. Pieza de acero inoxidable que descansa sobre cojinetes valona
4
Centrajes
y que permite el libre movimiento del eje y además le brinda mayor estabilidad.
5
Acople
6
Rodamientos
7
Plancha de apoyo
Pieza flexible que conecta tramos de diferentes ejes (eje motorreductor – eje tornillo sin fin). Pieza sobre la que puede girar el eje libremente. Pieza de acero inoxidable diseñada como plataforma. Lo conforman piezas como: abrazaderas, que afirman el
8
Accesorios
motorreductor a la plataforma; pletinas, que contienen los rodamientos además sostienen el tornillo sin fin; apoyos plásticos sobre los que descansan los motorreductores.
Fuente: Elaboración propia.
Para más detalle de su diseño o dimensiones de las piezas que conforman este bloque revisar planos en Anexo B.2. 2.2.2.4. Bloque de transmisión en azimut
Al igual que el anterior bloque de transmisión en elevación, el bloque de transmisión en azimut tiene como función transmitir potencia desde los motorreductores hasta el eje de rotación en azimut (Capucha), con el fin de permitir el posicionamiento continuo de los paneles para este grado de libertad. 61
Su diseño en SolidWorks se muestra en la Figura 2,10 en una vista trimétrica, y como se podrá apreciar diverge un poco en su diseño con respecto al bloque anterior. Así mismo, emplea algunas piezas del bloque de transmisión en elevación como piezas propias, por ejemplo, el árbol, la cubopletina, pletina de sujeción, etc., piezas que no consideraremos en la descripción de este bloque.
1
2
3
5 4
6
7
Figura 2.10: Diseño de bloque de transmisión en azimut. Fuente: Elaboración propia.
62
Tabla 2.8: Piezas complementarias del bloque de transmisión en azimut.
N° Pieza
Descripción Pieza de acero inoxidable diseñada para contener el árbol y junto con este y sus piezas anexas permitir el movimiento en azimut
1
Cabezal
de los paneles. Además, este permite el asiento de las piezas que sirven para la realimentación de las posiciones en elevación y azimut del subsistema de control. Pieza de acero inoxidable diseñada en dos partes: La primera es un aro con una saliente circular que va soldada al pivote de la
2
Aro de rotación
estructura base que junto con unos cojinetes permite el desplazamiento libre del conjunto Cabezal – Capucha para el posicionamiento continuo en azimut de los paneles; La segunda es su tapa que junto con unos cojinetes mantiene en su posición el conjunto Cabezal – Capucha. Tubo de acero inoxidable que se constituye en el eje del
3
Capucha
movimiento en azimut. Por ende a este va anexo, por medio de una soldadura, el engrane de azimut.
4
Acople
5
Rodamientos
Pieza flexible que conecta tramos de diferentes ejes (eje motorreductor – eje tornillo sin fin). Pieza sobre la que puede girar el eje libremente. Pieza de acero inoxidable diseñada como plataforma. Está en su
6
Plancha de
diseño diverge del anterior pues ambos se someten a la
apoyo
geometría y dimensiones de piezas como los engranes, tornillo sin fin, etc. Lo conforman piezas como: abrazaderas, que afirman el
7
Accesorios
motoreductor a la plataforma; pletinas, que contienen los rodamientos además sostienen el tornillo sin fin; apoyos plásticos sobre los que descansan los motorreductores.
Fuente: Elaboración propia.
63
Los acoples y rodamientos para ambos bloques de transmisión se seleccionaron según requisitos mecánicos (resistencia, prestaciones de transmisión, velocidad, etc.) impuestos por el subsistema. De ahí que se optó, en ambos grados de libertad, emplear un acople flexible SIT TRASCO GRM 6/10 A de aluminio, para unir el eje de salida del motorreductor (que es de 6 mm) (ver Anexo C) con el tornillo sin fin (de eje 10 mm).
Para aguantar el tornillo sin fin, se colocarán sus ejes sobre un soporte diseñado específicamente para la aplicación (ver Anexo B.2), con rodamientos FAG de bolas radiales de una hilera, para un diámetro de eje de 10 mm (ver Anexo C). Para más detalle de su diseño y dimensiones de las piezas que conforman este bloque revisar planos en Anexo B.2. 2.2.2.5. Base
La base como se puede ver en la Figura 2.11, es una estructura cuya misión fundamental es la de soportar un conjunto de cargas, que podemos clasificar como sigue: 1. Peso propio y de los elementos que descansan en él. 2. Cargas de funcionalidad (tensiones, torques, etc.). 3. Acciones exteriores varias (viento). En su diseño se consideró características como, estabilidad (cumpla las condiciones de la estática), resistencia (no se superen las tensiones admisibles de los materiales) y deformación limitada (mantener acotada la deformación). La Figura 2.11 muestra el diseño de la base en SolidWorks y sus dimensiones milimétricas, además se enumeran las principales piezas que la componen.
64
1
4 2
3
Figura 2.11: Derecha; Imagen del diseño de base, Izquierda; dimensiones en milímetros. Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.9: Componentes de la base.
N° Pieza
Descripción Tubo de acero inoxidable que se constituye en la columna
1
Pivote
sobre la que se sostiene toda la estructura mecánica del seguidor solar
2
3
4
Cimiento
Bloque de concreto que se constituye en el fundamento sobre el que se yergue el seguidor solar en su conjunto.
Varillas de
Varillas de acero que van en el pivote para proveer a este
refuerzo
mayor firmeza y resistencia.
Pletinas de
Pletinas de acero diseñadas para sujetar el tablero de control
sujeción de TC
al pivote.
Fuente: Elaboración propia.
65
2.2.2.6. Tablero de control
El tablero de control lo conforman la caja eléctrica y los elementos que se albergaran dentro, por ejemplo, baterías, regulador de carga, circuitos de control, etc.. La caja eléctrica selecta según las necesidades de espacio requerido por los elementos que se alojara en su interior, es de la marca LEGRAND código 902318 cuyo diseño en SolidWorks y dimensiones se puede ver en la Figura 2.12. Para especificaciones técnicas del producto ver Anexo C.
Figura 2.12: Derecha; Diseño tablero de control, Izquierda; dimensiones en milímetros. Fuente: Elaboración propia.
La caja eléctrica se sujetara al pivote por medio de unos tornillos DIN 4014 – M4 x 25 que se embonan en los orificios previstos en unas pletinas diseñadas específicamente para la aplicación (Anexo B.2), las cuales se soldaran al pivote.
Determinación de la potencia de los motores DC Para poder seleccionar el motor DC idóneo, si bien existen y se deben seguir ciertos criterios, que señalaremos más adelante, primordialmente hay que determinar la potencia mecánica demandada en la aplicación.
66
Cuanto más exactos seamos en este cálculo, mejor, así se podrá dimensionar la potencia eléctrica del motor con un margen de seguridad adecuado, es decir, sin exagerar los requerimientos para no incurrir en tamaño ni costes excesivos. 2.2.3.1. Potencia en cargas giratorias
Según la ecuación 1.3 la potencia, en general, es igual a:
Pero para cargas giratorias resulta:
Ec. 2.3
Dónde: es el torque neto que actúa en la estructura en Nm y
es la velocidad angular en
rad⁄s.
2.2.3.2. Análisis y cálculo de las velocidades angulares de desplazamiento del sistema
El Sol se desplaza a: 360 grados 24 hora
15
grados hora
Para un intervalo de reposición de seguimiento de 20 min, la desviación del Sol respecto a la normal será:
60 min ⟷ 15 grados 20 min ⟷ grados
⟶
20 ∗ 15 60
5 grados como máximo
Para esta desviación las pérdidas son insignificantes respecto al resto de perdidas presentes en el seguidor (fricción, ineficiencia de los equipos, etc.). De la sección 2.1.2 se sabe que el máximo desplazamiento angular en la azimut del seguidor es de 180 ó
rad y el máximo desplazamiento angular en elevación del 67
seguidor es 90 grados ó rad. Por tanto, los ángulos que tienen que girar los ejes en cada reposición son:
= 180 ∗ = 90 ∗
1 1 ∗ ∗ 20 = 5 12 60
1 1 ∗ ∗ 20 = 2,5 12 60
Asumiendo, que estos recorridos se lograran en un tiempo de 5 segundos, las velocidades angulares de giro de los ejes serán:
1 1 60 rad = 5∗ ∗ ∗ = 0,1667 rpm ≡ 0, 0175 5 360 1 s
1 1 60 rad = 2,5 ∗ ∗ ∗ = 0,0833 rpm ≡ 0,0087 5 360 1 s 2.2.3.3. Análisis y cálculo del torque neto respecto a los ejes de rotación
En la Ecuación 2.3 normalmente la velocidad angular
es fácil de establecer, debido a
que se conoce la velocidad requerida de desplazamiento angular de la carga ya sea en rad⁄s o rpm. A menudo entraña más dificultad establecer el torque neto
que actúa en la
estructura respecto a un eje de rotación.
Torque neto respecto al eje de rotación en elevación Una principal fuerza externa que actúa sobre un cuerpo es su peso, si bien esta obra en todas las partículas del cuerpo supondremos que este opera en un único punto denominado centro de gravedad, el momento de torsión debido a esta fuerza es igual a: = Donde:
sin
=
Ec. 2.4
es el modulo del vector posición del centro de masa con respecto al eje de
rotación, en [m];
es el peso total del cuerpo, en [N] y
es el brazo de palanca, en
[m]. Para la estructura del seguidor con respecto al eje de rotación en elevación, Figura 2.13 se hace el siguiente análisis.
68
Según los datos técnicos del panel fotovoltaico elegido, se sabe que su peso es 15 kg, no obstante el peso total del conjunto de la plataforma de captación se aproxima a 30 kg, este actúa en su centro de gravedad su brazo de palanca es
≅ 17,5 cm . Para las
consideraciones realizadas el momento de torsión gravitacional resulta: =
=
= 294 ∗ 0,175 = 51,45 Nm
Figura 2.13: Principales fuerzas externas actuantes respecto al eje de rotación en elevación. Fuente: Elaboración propia.
Otra fuerza de consideración que actúa en la estructura del seguidor solar es la del viento del cual se determinara su momento de torsión respecto al eje de rotación en elevación, según el siguiente análisis: La situación en la que el panel prácticamente se encuentra de frente a la dirección del viento (Figura 2.13), es considerada la más desfavorable y es para esta condición que se realizará los cálculos. La presión que ejerce el viento en un cuerpo se distribuye en toda el área expuesta y su fuerza es proporcional en intensidad a la misma, sin embargo, supondremos que esta actúa en un punto, donde el momento de torsión sea máximo y contrario al sentido de giro establecido, en este caso el extremo inferior de la plataforma. A continuación, se hará un estudio breve sobre el viento que permita determinar la presión que ejerce este sobre la estructura y sus elementos. 69
Velocidad del viento Los efectos estáticos del viento sobre una estructura o componente de la misma se determinan con base en la velocidad de diseño del viento en km/h , obtenida de la ecuación:
= Dónde:
Ec. 2.5
es factor correctivo de acuerdo a la topografía y rugosidad del terreno de los
alrededores del sitio de desplante, adimensional;
es un Factor que toma en cuenta la
variación de la velocidad del viento con la altura de la estructura, adimensional y
es la máxima velocidad media probable de presentarse con un cierto periodo de recurrencia en una zona o región determinada de territorio, en km/h. Para la ciudad de sucre según datos del SENAMHI esta velocidad regional es de 21 km/h. Para una estructura con una altura
≤ 10 m (
= 0,79 ∧
= 1), como es el caso del
seguidor proyectado, la velocidad de diseño del viento de la ecuación 2.5 es: = 0,79 ∗ 1 ∗ 21 = 16,59 Presión del viento
km h
Cuando el viento actúa sobre un obstáculo, genera presiones sobre su superficie que varían según la intensidad de la velocidad y la dirección del viento. La presión que ejerce el flujo del viento sobre una superficie plana perpendicular a él se denomina comúnmente presión dinámica de base (
en kg/m ) y se determina con la siguiente ecuación: = 0,047
dónde:
Ec. 2.6
es el factor de corrección por temperatura y por altura con respecto al nivel del
mar, adimensional y se determina por la siguiente expresión: =
0,392 273 +
Ec. 2.7
70
dónde:
es la presión barométrica, en mm Hg y
promedio en
530 mm Hg ∧
es la temperatura ambiental
. Para nuestra altitud de 2700 msnm y región, tenemos que ( 20 ), entonces:
0,392 ∗ 530 273 20
por tanto:
0,7091
0,047 ∗ 0,7091 ∗ 16,59
9,2
N m
en N/m , se obtiene tomando en
La presión actuante sobre una estructura determinada,
cuenta principalmente su forma y está dada, de manera general, por la ecuación:
Ec. 2.8
Dónde: y
es el coeficiente local de presión, que depende de la forma de la estructura
es la velocidad de diseño (
1.5 para anuncios aislados), entonces:
1.5 ∗ 9,2
13,8
N m
La fuerza que ejerce el viento sobre una superficie es una función directamente proporcional al área expuesta, en este caso 1,26 m resultante del producto de las dimensiones de un panel estándar considerado. Por tanto: 13,8 ∗ 1,26
17,39 N
17,39 ∗ 0,8
13,91 Nm
Retornado al cálculo del momento de torsión neto respecto al eje de rotación en elevación tenemos que:
Ahora el momento de torsión neto respecto al eje de rotación en elevación será: 51,45
13,91
65,36 Nm 71
Torque neto respecto al eje de rotación en azimut Para el eje de rotación en azimut la Figura 2.14 muestra las principales fuerzas externas que actúan en la estructura para la condición más desfavorable. Respecto a este eje el peso no presenta un momento de torsión por tener su línea de acción paralela al eje de rotación, por lo que:
Figura 2.14: Fuerzas actuantes respecto al eje de rotación en azimut. Fuente: Elaboración propia.
= 0
Al ser la fuerza del viento variable en magnitud y dirección, su efecto se asumirá igual que en caso anterior para las condiciones más desfavorables, es decir: =
=
= 17,39 ∗ 0,4 = 6,96 Nm
2.2.3.4. Especificaciones base de los motores DC
Dado que las velocidades de los ejes son muy pequeñas, para que sea fácil hallar los motores DC adecuados, habrá que considerar una relación de transmisión en el engranaje bastante grande.
72
En la práctica, por cuestiones como; errores cometidos en el tallado y la limitante constructiva, se sugiere una relación de transmisión en aparatos de precisión no mayor a 100.
Por tanto, para la aplicación asumiré una relación de transmisión igual a: = 100
Sabiendo que los engranajes suponen una reducción de 1: 100, se deduce la velocidad a la que van los tornillos sin fin:
= 100 ∗ 0,0175 = 1,75
rad = 16,7 rpm s
= 100 ∗ 0,0087 = 0,87
rad = 8,3 rpm s
Así, las potencias mínimas que se necesitarán para mover los ejes serán: =
= 6,96 ∗ 0,0175 = 0,1218 W ≅ 122 mW
=
= 65,36 ∗ 0,0087 = 0,5686 W ≅ 569 mW
Estas potencias pequeñas son resultado de las aún más pequeñas velocidades angulares calculadas para el sistema seguidor, debido a su directa proporcionalidad. Suponiendo que el rendimiento del tornillo sin fin es: = 0,33
Se pueden calcular los torques a la salida de los motores:
= =
∗ ∗
= =
6,96 = 0,21 Nm = 21 Ncm 100 ∗ 0,33
65,36 = 1,98 Nm = 198 Ncm 100 ∗ 0,33 73
Para alcanzar las velocidades angulares calculadas a la salida del motor, se deduce que se necesitará una reducción no menor de 3 etapas (
= 0,70).
Despreciando la pérdida de rendimiento de los motores por disipación de calor, la potencia de éstos será: =
=
∗ =
∗
0,122 = 0,528 W ≅ 530 mW 0,33 ∗ 0,7 =
0,569 = 2,46 W ≅ 3 W 0,33 ∗ 0,7
Sin embargo, asumiremos una potencia en los motores debidamente superior en virtud a un margen de seguridad adecuado y a pérdidas no consideradas.
2.2.3.5. Tipo de motor DC
= 10 ∗
= 10 ∗ 3 = 30 W
Para hacer girar el seguidor en los dos ejes (azimut y elevación), se utilizarán motores DC de imán permanente unidos a reductores. Estos motorreductores son ideales para el seguidor dado que permiten alterar su sentido de giro a voluntad y soportan bien grandes cargas al arrancar. Además, de satisfacer las especificaciones base determinadas, los motores DC adicionalmente deberán cumplir los criterios de selección de la Tabla 2.10: Tabla 2.10: Características de selección del motor de CD
1
Funcione con corriente directa, es decir, emplee el tipo de energía eléctrica generada por el sistema.
2 Facultad para mantener su última posición sin uso de energía adicional. 3 Adecuado para trabajo a la intemperie. Fuente: Elaboración propia.
Con todo lo mencionado se acudió a catálogos de empresas que fabrican estas máquinas en la actualidad y se optó: 74
1. Utilizar un par de motores de imán permanente, uno para cada grado de libertad, modelo MB 63 40 001 de la compañía D’yssi Motor (ver Figura 2,15), cuyas especificaciones principales se detallan en la Tabla 2.11.
2. Emplear de igual forma un par de motoreductores específicos para el tipo de motores seleccionados, modelo RB 6380 001, hoja de datos en Anexo C, el cual a la salida nos permite tener velocidades reducidas con relaciones de transmisión desde 1: 3,7 hasta 1: 173 y un torque máximo de 8Nm.
Con el motoreductor no solamente disminuimos la velocidad del motor DC (3100 rpm) a un giro más lento (16 rpm) que es útil para la aplicación, sino que al mismo tiempo, idealmente:
=
= 100 ∗ 8 = 800 Nm
aumenta el par o torque en el engrane de salida.
Estos motores unidos a sus respectivos reductores cumplirán con todas las demandas de potencia del sistema seguidor solar.
75
Tabla 2.11: Datos técnicos del motor DC. SIN CARGA MODELO
MB 63 40 001
Voltaje
Velocidad
Corriente
Velocidad
V
rpm
A
rpm
12
3700
1
3100
OPERACIÓN NOMINAL Potencia de Corriente Torque entrada A Ncm W 5,5
14
66
FRENADO
OTROS
Potencia de Torque
Corriente
Inercia del rotor
Peso
salida W
Ncm
A
gcm2
Kg
46
90
30
450
0,95
Fuente: Elaboración propia.
Figura 2.15: Dimensiones del motor DC MB 63 40 001. Fuente: Elaboración propia.
76
Diseño de engranes Dado que la velocidad de los ejes es muy pequeña (del orden de las 0,08 rpm), y teniendo
en cuenta la velocidad nominal de salida de los motorreductores seleccionados (16 rpm), se optó por tener una relación de transmisión en los engranajes bastante grande 1: 100 .
El tipo de engrane que se acomoda a los requerimientos planteados es una combinación de tornillo sin fin – rueda, conjunto que se caracteriza por: 1 Permitir la transmisión de potencia entre ejes no paralelos que no se intersecan. 2 Posibilitar la obtención de relaciones de transmisión elevadas. 3
Transmitir el movimiento en un único sentido, es decir de tornillo a rueda y no al revés (irreversible).
En la Tabla 2.12 se pueden ver los parámetros esenciales para definir tanto la rueda como el tornillo sin fin. Los mismos resultan de dimensionar sus diseños elaborados en SolidWorks
(para
este
propósito
se
empleó
un
engrane
helicoidal
estándar
DIN – RH Helical gear 2,5M 100T 3,98HA 20PA 25PW). Tabla 2.12: Parámetros esenciales de los engranes.
Engranaje
Tornillo
Rueda
sin fin Parámetros de generación
Relación de transmisión ∑
Ángulo de convergencia Módulo axial
Ángulo de hélice
Parámetros de definición
Paso Diámetro primitivo (axoide) Diámetro de tolerancia Diámetro exterior (de cabeza)
90
2,5
20
Ángulo de presión
Número de dientes
100
1
25
24,8 30
3.58 7,85
100 250
245,33 255,78 77
Diámetro interior (de pie) Parámetros de
Distancia de ejes
funcionamiento
Rendimiento Ancho de diente
Fuente: Elaboración propia.
24,38
244,55
0,33
− 11,33
= 152,6
35
25
Ambas ruedas estarán hechas de acero templado, y los tornillos serán de Bronce al Cu-Sn. Los tornillos sinfín para ambos movimientos azimut y elevación serán exactamente iguales (ver Figura 2.16).
Figura 2.16: Diseño de tornillo sin fin. Fuente: Elaboración propia.
Las ruedas, en cambio, serán diferentes. La rueda para desplazamiento en azimut se fabricará igual a 1⁄2 de vuelta, mientras la rueda para desplazamiento en elevación, sólo 1⁄4 (ver Figura 2.17). Dados los recorridos angulares que tiene que hacer cada eje, no se necesitará fabricar más.
Como se puede apreciar en la Figura 2.17, las ruedas presentan cortes que se vio por conveniente para que el conjunto sea menos pesado. Además, de esta manera, a partir de una sola rueda de base se pueden obtener las dos ruedas necesarias para hacer girar el seguidor en azimut y elevación.
78
Figura 2.17: Derecha; diseño de rueda azimut, Izquierda; diseño de rueda elevación. Fuente: Elaboración propia.
La rueda de elevación se sujetara al árbol por medio de un pasador DIN 8739 – M8 x 50, en cambio la rueda de azimut estará soldada a la capucha.
79
2.3. DISEÑO Y DESARROLLO ELECTRÓNICO El subsistema de control será el que comande los movimientos (en este caso diferenciado) del sistema seguidor solar, en ambos grados de libertad. El mismo, estará conformado por una serie de circuitos electrónicos (etapas) que en conjunto posibilitaran al sistema seguir al Sol en todo momento. El diseño del subsistema de control para la aplicación en el proyecto estará basado en el diagrama esquemático de la Figura 2.18, el cual no es un diseño propio si no una propuesta del libro: B. C. Kuo,
Sistemas de Control Automático,
7ma Ed., México: Prentice Hall,
1996. A este, adicionalmente se le sumará un bloque de alimentación, el cual proveerá la potencia necesaria a todos los demás circuitos. El diagrama corresponde únicamente al seguimiento en elevación, otro similar sistema concierne al seguimiento en azimut, lo cual implica que, cada grado de libertad se controla separadamente. El tipo de sistema de control como se puede ver en el diagrama esquemático, será en lazo cerrado, dicha realimentación le brindará al subsistema de control efectos positivos en sus características de desempeño como: Tabla 2.13: Efectos de la realimentación en las características de desempeño de los sistemas.
1
Reducir el error.
2
Estabilizar un sistema inestable.
3
Incrementar o disminuir la ganancia global.
4
Aumentar el ancho de banda, etc.
Fuente: Elaboración propia.
80
7
2
4
1
6
3
5
Figura 2.18: Diagrama esquemático para el seguimiento en elevación. Fuente: Elaboración propia.
81
En la Tabla 2.14 se detallan los principales componentes del diagrama esquemático de la Figura 2.18 y la función específica que desempeñan en el subsistema de control. Tabla 2.14: Principales componentes del seguimiento en elevación.
N° Bloque 1
Fotocelda
Función Medir la luz incidente sobre su superficie y proveer a su salida una corriente proporcional a la misma. Establecer mediante un arreglo dimensional mecánico la
2
Discriminador de
razón de cambio de las corrientes en las fotoceldas, esta
error
disposición empareja los sensores para cada grado de libertad. Contrastar las señales provenientes de las fotoceldas junto
3
Comparador
con la
de realimentación, fruto de esta comparación
resultara una señal de error o referencia. Según las especificaciones de diseño y la respuesta del sistema, este bloque podría resultar en un controlador 4
Amplificador de
proporcional, derivativo, integral, combinación de dos de
seguimiento
ellos e incluso todos (controlador PID). Este bloque se encarga de excitar los motores DC, de modo que estos actúen sobre el sistema realineándola. Realimentar parte de la señal de salida a la entrada
5
Potenciómetro
6
Motor
Fuente de potencia mecánica del sistema.
Engranes
Sistema de engranes encargados de reducir la velocidad
reductores
angular del motor y elevar su torque.
Fuente de
Proveer la potencia eléctrica necesaria a los circuitos del
alimentación
subsistema de control.
7
8
principalmente para reducir el error.
Fuente: Elaboración propia.
Como se vio Figura 2.18, todo el diseño electrónico será analógico. El mismo se encaró según la teoría de control automático, el cual dicta unos pasos (ineludibles en este tipo de diseño), señalados en la Tabla 2.15.
82
Tabla 2.15: Pasos de diseño del subsistemas de control.
Paso 1
Paso 2
Paso 3
Determinar qué debe hacer el sistema y cómo hacerlo (especificaciones de diseño). Definir la configuración del compensador o controlador relativa a como está conectado al proceso controlado. Determinar los valores de los parámetros del controlador para cumplir con las especificaciones de diseño.
Fuente: Elaboración propia.
Pasos que abordaremos en su debido momento en el diseño del subsistema de control.
Diseño del subsistema de control 2.3.1.1. Selección de la técnica de seguimiento
De las dos técnicas de seguimiento solar más empleadas actualmente y expuestas en el marco teórico en la sección 1.4.4, se eligió la técnica de seguimiento con fotosensores. Par ello, empleare un par de sensores de fotoceldas monocristalinas de alta eficiencia KXOB22
04X3L de la marca IXYS para cada grado de libertad.
En la Figura 2.19 se muestra el sensor en cuestión y sus principales características técnicas en la Tabla 2.16.
Figura 2.19: Sensor KXOB22-04X3L. Fuente: Elaboración propia.
83
Tabla 2.16: Principales características técnicas del sensor KXOB22-04X3L.
Numero de componente
Voltaje en circuito abierto V 1,89
KXOB2204X3L
Corriente de cortocircuito
Voltaje nominal
Corriente nominal
mA 15
V 1,50
mA 13,38
Dimensiones Largo Ancho Espesor
L W H
22 7 1.8
mm mm mm Peso 0,5 gramos
Fuente: Elaboración propia.
Para más detalle revisar anexo C. 2.3.1.1.1. Discriminador de error
Los elementos que conforman el discriminador de error son los dos sensores de fotocelda, y el armazón de sensado (diseñado en la parte mecánica). En conjunto determinan la sensibilidad y precisión del subsistema de control. Los sensores están montados de tal forma que cuando el plano de captación apunta directamente al Sol, el rayo de luz de la hendedura cae en ambos sensores. Estos se emplean como fuentes de corriente y se conectan en polaridad opuesta a la entrada de un comparador diferencial. Cualquier diferencia en la corriente de cortocircuito de los dos sensores es detectada y amplificada por el amplificador de diferencias (bloque 3 del diagrama esquemático, Figura 2.18). Ya que la corriente de cada sensor es proporcional a la iluminación sobre la misma, se genera una señal de error en la salida del amplificador cuando la luz de la hendedura no está centrada en forma precisa sobre los sensores, y este voltaje de error determinara si debe o no realinearse el sistema. Las fotoceldas irán montadas en el armazón de sensado en la disposición que se muestra en la Figura 2.20. 84
Figura 2.20: Disposición de las fotoceldas en el armazón de sensado. Fuente: Elaboración propia.
2.3.1.2. Desarrollo del modelado matemático
Para estudiar el comportamiento del subsistema de control propuesto, en la Figura 2.18 se utilizan modelos matemáticos, estos modelos se obtienen de leyes físicas fundamentales que rigen el comportamiento de cada elemento del subsistema de control. Por tanto, cada uno de los elementos citados en la Tabla 2.14 tiene su propia dinámica, que vendrá descrita por una función de transferencia. El modelado que a continuación se presenta, también está en base al libro: B. C. Kuo, Sistemas de Control Automático,
7ma Ed., México: Prentice Hall, 1996.
2.3.1.2.1. Sistema de coordenadas
El centro del sistema de coordenadas se considera que esta en los engranes de salida. El eje de referencia se considera fijo sobre el motor de CD, y todas las rotaciones se miden con respecto a este eje. El eje solar o la linea que va desde el centro del engrane de salida hasta el Sol hace un ángulo
( ) con respecto al eje de referencia, y
( ) denota el angulo 85
temporal del eje normal al plano de captacion con respecto al eje de referencia. El objetivo del sistema de control es mantener el error entre
y
,
, cerca de cero.
Ec. 2.9
El sistema de coordenadas descrito se ilustra en la Figura 2.21.
Figura 2.21: Sistema de coordenadas para el sistema de seguimiento del Sol. Fuente: Elaboración propia.
2.3.1.2.2. Discriminador de error
Cuando el eje normal al plano de captación está perfectamente alineado con el Sol 0 , las corrientes en las fotoceldas son iguales, es decir, resulta:
o
0. De la geometría del rayo de Sol y sensores que se muestran en la Figura 2.14,
2
en donde
2
tan
∓ tan
Ec. 2.10
Ec. 2.11
es la abertura de ingreso del haz de luz m ,
hendedura m ,
denota el ancho del rayo del Sol que ilumina al sensor A m , y ,e
a
, se tiene: 2
es
dada rad . Ya que la corriente
lo mismo en relación con el sensor B, para una es proporcional a
es la profundidad de la
tan
Ec. 2.12
86
=
para 0 ≤ tan ( ) ≤
. Para
completo sobre el sensor A, e +
tan ( ) ≥
,
∓
2
≤ tan ( ) ≤ ( )= 2 ,
tan ( ) −
, el rayo del Sol está por
= 0 , Para
( ) se reduce linealmente desde 2
+
Ec. 2.13
a cero,
−
=
≤ tan ( ) ≤
= 0 para
. Por tanto, el discriminador de error se puede representar por la
característica no lineal de la Figura 2.22, en donde para un ángulo pequeño ( ), tan ( ) se ha aproximado por ( ) sobre la abscisa.
La función o desempeño del discriminador de error se asumirá en la región lineal de su respuesta temporal.
Figura 2.22: Característica no lineal del discriminador. Fuente: Elaboración propia.
2.3.1.2.3. Comparador
Este bloque se lo implementara con operacionales en montaje de amplificador diferencial (restador), ver sección 1.6. La relación entre la salida del amplificador diferencial y las corrientes
, y
es:
= −
(
−
Ec. 2.14
87
donde:
e
son las corrientes proporcionales en las fotoceldas [A] ,
voltaje de salida del comparador [V] y
es
es el parámetro que fija la ganancia del
amplificador diferencial[Ω].
2.3.1.2.4. Amplificador de seguimiento
La ganancia del amplificador de seguimiento en principio se supone proporcional e igual a – . Con referencia en la Figura 2.18, la salida del amplificador de seguimiento se expresa como:
= −
(
+
= −
es el voltaje de realimentación en el potenciómetro [V],
donde:
de entrada al amplificador de seguimiento [V], de seguimiento [adimensional] y
Ec. 2.15
es el voltaje
es la ganancia supuesta del amplificador
es el voltaje de salida del amplificador de
seguimiento.
2.3.1.2.5. Potenciómetro
El voltaje de salida del potenciómetro, de salida
a través de la constante
, se relaciona con la posición angular del engrane :
=
Ec. 2.16
La posición angular del engrane de salida se relaciona con la posición del motor a través de la relación del engrane 1/ . Por tanto: =
1
Ec. 2.17
88
2.3.1.2.6. Motor DC
Las ecuaciones que describen su dinámica como vimos en el marco teórico sección 1.8 son: = = = donde:
=
es el voltaje de armadura [V],
corriente de armadura [A], del eje del motor rad⁄s , Kgm
y
( ) +
Ec. 2.18
( )
es la resistencia de armadura [Ω],
denota la fuerza contraelectromotriz [V],
es la
es la velocidad
es la constante de la fuerza contraelectromotriz [V⁄rad⁄s],
es el par del motor Nm ,
[Nm⁄A],
+ ( ) ( ) ( )
es el flujo magnético Wb ,
es la constante del par
Nm⁄rad⁄s son los coeficientes de inercia y fricción viscosa del
eje del motor. En la ecuación 2.10 la inductancia del motor se desprecia. 2.3.1.3. Diagrama de bloques general del subsistema de control
Del modelado realizado resulta el diagrama en bloques general que se muestra en la Figura 2.23.
89
Figura 2.23: Diagrama de bloques general del subsistema de control del seguidor solar. Fuente: Elaboración propia.
90
2.3.1.4. Análisis y diseño del controlador en el dominio del tiempo
El diseño del sistema de seguimiento se lo realizara en el dominio del tiempo, ya que es un sistema lineal y además sus especificaciones son características de este dominio. 2.3.1.4.1. Paso 1 (Especificaciones de diseño)
Si bien es cierto que hasta aquí tenemos los elementos constructivos del seguidor y sus respectivos modelos, no tenemos idea de cómo será su desempeño. Para determinar su funcionamiento temporal es necesario realizar una especificación, en base al cual se determinarán los valores de los parámetros del controlador para alcanzar los objetivos de diseño. Las especificaciones de diseño serán escuetas, esto en virtud de una simplicidad. Tabla 2.17: Especificaciones de diseño del subsistema de control.
El error en estado estable de ( ) debido a una entrada función rampa unitaria
1 para ( ) debe ser ≤ 0,01 rad (1 ). En otras palabras, el error en estado estable debido a una entrada rampa debe ser ≤ 1%. 2
El sobrepaso máximo de la respuesta al escalón debe ser menor que 5%, o tan pequeño como sea posible.
Fuente: Elaboración propia.
2.3.1.4.2. Paso 3 (determinación de valores de parámetros)
Una vez se definieron los elementos que componen el subsistema de control y se conocen las especificaciones de diseño, la siguiente tarea es definir los valores de los parámetros del subsistema y determinar los valores de los parámetros del controlador. Por tanto, del análisis realizado para el discriminador de error y su grafica de transferencia correspondiente resulta que: tanφ =
=
=
cateto opuesto 2 4 = = cateto adyacente 2 91
está pendiente como dijimos representa la razón de cambio de la diferencia de las corrientes de las fotoceldas respecto al desplazamiento angular que sufre , esto en el tramo lineal, además es función de las medidas geométricas de la hendedura y la corriente existente en el sensor cuando
= 0.
= 22mm,
Según el diseño mecánico realizado del discriminador de error: ⁄2 = 13,6⁄2 = 6,8mA entonces:
=
=
4
=
= 80mm y
4 ∗ 6,8 − 3 ∗ 80 − 3 A = 0,9891 ≅ 0,1 22 − 3 rad
Del modelado matemático del comparador se tiene que:
= −
En términos del voltaje será:
= −
(
−
(
−
Para una ganancia prudente en tensión igual a 10 veces con igual a:
=
⟹
=
= 1kΩ,
tendrá que ser
= 10 ∗ 1000 = 10000Ω
Todos los demás parámetros son características del motor DC escogido, por tanto, según datos técnicos de la maquina estos son igual a: =
=
0,14 Nm = 0,025 5,5 A
= 450 gcm = 45 × 10 kgm
= 3100 rpm = 324,66 rad⁄s
en el sistema internacional de unidades es igual en cantidad a
no así en unidades, o
sea:
92
= 0,025 V⁄rad⁄s = Además anteriormente se definió
=
12 = 2,18 Ω 5,5
= 100 y asumiré un coeficiente de fricción viscosa
igual a cero o despreciable. La Tabla 2.18 muestra todos los parámetros del subsistema de control, determinados.
Tabla 2.18: Valores de los parámetros del subsistema de control del seguidor solar.
= = = = =
10.000 Ω 0,025 Nm⁄A 45 × 10 kgm 3100 rpm = 324,63 rad⁄s 0,025 V⁄rad⁄s
Fuente: Elaboración propia.
= = = = =
2,18 Ω 0,1 A⁄rad 0 100
93
Figura 2.24: Diagrama en bloques simplificado del subsistema de control del seguidor solar. Fuente: Elaboración propia.
94
2.3.1.4.3. Análisis de desempeño del subsistema de control no compensado
La función de transferencia de la trayectoria directa del sistema no compensado es: ( ) = ( )
=
⁄
+
Ec. 2.19
En donde Θ (s) y Α( ) son las transformadas de Laplace de
( ) y
( ) ,
respectivamente. Al sustituir los valores numéricos de los parámetros del sistema en la ecuación 2.19, se obtiene: ( ) 2548,42 = ( ) ( + 6,37)
=
Ec. 2.20
El valor mínimo de la ganancia del amplificador, , se determina inicialmente del requisito de error en estado estable. Al aplicar el teorema del valor final a ( ), se tiene: →
( )=
→
→
1+
( )
conduce a:
→
( )=
0,0025
Por tanto, para que el valor en estado estable de α(t) sea ≤ 0,01, considera a
Ec. 2.21
= 1⁄ . Al aplicar la ecuación 2.20 en la ecuación
Para una entrada rampa unitaria, 2.21
=
Ec. 2.22
debe ser ≥ 0,25. Se
= 0,25, el peor caso desde el punto de vista del error en estado estable, la
ecuación característica del sistema no compensado es:
+ 6,37 + 637 = 0
Ec. 2.23
Se puede mostrar que el factor de amortiguamiento relativo del sistema no compensado con
= 0,25 es sólo de 0,13, lo cual corresponde a un sobrepaso máximo de 66,2 %. La
Figura 2.25 muestra la respuesta al escalón unitario del sistema con
= 0,25.
95
Figura 2.25: Respuesta al escalón unitario del subsistema sin compensar con Fuente: Elaboración propia.
,
.
96
Como se observa el, sistema sin compensar Figura 2.25, si bien satisface la especificación de error, no lo hace en cuanto al sobrepaso máximo, siendo este muchísimo mayor a lo especificado por tanto se hace necesario incorporar un compensador que mejore el sobrepaso máximo del sistema mientras se mantiene el error en estado estable debido a la entrada de rampa unitaria en 0,01 rad.
2.3.1.4.4. Diseño con el controlador PD
Como se puede ver en la Figura 2.24, se ha reservado un espacio en la función de transferencia de la trayectoria directa del diagrama de bloques para un controlador con función de transferencia
( ).
Debido a sus efectos, listados en la Tabla 2.19, y a su relativa simplicidad empleare un controlador PD, como el estudiado en el marco teórico sección 1.7, para tratar de satisfacer las especificaciones de desempeño del sistema de la manera más simple posible. Tabla 2.19: Efectos del control PD en el desempeño de los sistemas.
1 Mejora el amortiguamiento y reduce el sobrepaso máximo. 2 Reduce el tiempo de levantamiento y el tiempo de asentamiento. 3 Incrementa el BW. 4 Mejora el margen de ganancia, el margen de fase y Mr. 5 Puede acentuar el ruido en altas frecuencias. 6 Puede requerir un capacitor muy grande en la implementación del circuito. Fuente: Elaboración propia.
De la sección 1.7 se conoce que la función de transferencia del controlador PD es:
=
+
=
1+
Ec. 2.24
2.3.1.4.5. Análisis de desempeño del subsistema de control compensado
Con la función de transferencia del controlador PD de la ecuación 2.24 y
= 0,25, la
función de transferencia de la trayectoria directa del subsistema de control se convierte en:
97
=
∗
=
La función de transferencia en lazo cerrado es:
=
=
+ ( ) 637 = ( ) ( + 6,37)
1+
637 + + 6,37 + 637
=
Ec. 2.25
∗
La constante de error rampa o constante de velocidad es:
Ec. 2.26
+ 637
= lim
Ec. 2.27
→
= lim →
637 + ( + 6,37)
=
637 = 100 6,37
El error en estado estable debido a una entrada rampa unitaria es
= 1⁄
La ecuación 2.24 muestra que los efectos del controlador PD, Tabla 2.20, son:
= 0,01⁄
.
Tabla 2.20: Efectos del control PD en la función de transferencia y el amortiguamiento..
1 Añadir un cero en 2
= −
⁄
a la función de transferencia en lazo cerrado.
Incrementar el "término asociado al amortiguamiento", el cual es el coeficiente de en el denominador, de 6,37 a 6,37 + 509,68
.
Fuente: Elaboración propia.
La ecuación característica se escribe como:
+ 6,37 + 509,68
+ 509,68
= 0
Ec. 2.28
Se puede establecer, desde el punto de vista del requisito de error en estado estable, para la peor condición
= 1. El factor de amortiguamiento relativo del sistema es: =
dónde:
6,37 + 637 2
Ec. 2.29
98
=
637
=
637(1) = 25,23886 rad s
entonces:
= 0,12619 + 12,61943
el cual muestra claramente el efecto positivo de tener amortiguamiento crítico,
Ec. 2.30
sobre el amortiguamiento. Si se deseara
= 1, la ecuación 2.30 da
= 0,06926. Se debe señalar
que la ecuación 2.25 ya no representa un sistema prototipo de segundo orden; la respuesta transitoria también está afectada por el cero de la función de transferencia Se observa que para el sistema de segundo orden, cuando el valor de
⁄
.
se incrementa, el
cero se moverá muy cerca del origen y cancela efectivamente el polo de Por tanto, cuando
= −
en
= 0.
se incrementa, la función de transferencia en la ecuación 2.23 se
aproxima a un sistema de primer orden con el polo en
= − 3,67, y el sistema en lazo
cerrado no tendrá ningún sobrepaso. En general, sin embargo, para sistemas de mayor orden, el cero en
= −
⁄
puede incrementar el sobrepaso cuando
es muy grande.
Se puede aplicar el método de contornos de las raíces a la ecuación característica de la ecuación 2.28 para examinar el efecto de variar
y
. Primero, se hace
igual a cero, y
la ecuación 2.28 se convierte en:
+ 6,37 + 637
= 0
El lugar geométrico de las raíces de la ecuación 2.31 cuando muestra en la Figura 2.26. Cuando
Ec. 2.31[RA]
varía desde 0 hasta ∞ se
≠ 0, la ecuación característica de la ecuación 2.28 está condicionada como: 1+
= 1+
637 + 6,37 + 637
= 0
Ec. 2.32
99
=
y se muestra en la
= 1y
= 0 , las raíces de la
Los contornos de las raíces de la ecuación 2.32 cuando
y
construyen con base en la configuración de polos y ceros de Figura 2.27 para
= 1 . Se observa que cuando
varia, se
ecuación característica están en − 3,1850 + 25,0371 y − 3,1850 − 25,0371, y el factor de amortiguamiento relativo del sistema en lazo cerrado es 0,12619. Cuando el valor de
se incrementa, las dos raíces de la ecuación característica se mueven
hacia el eje real a lo largo de un arco de circulo. Cuando
se incrementa hasta 0,06924,
las raíces son reales e iguales, en − 25,2, y el amortiguamiento es crítico.
100
Figura 2.26: Lugar geométrico de la función de transferencia de lazo abierto con Fuente: Elaboración propia.
,
,
y variando
de
a∞.
101
Figura 2.27: Contorno de las raíces de la ecuación 2.28 con Fuente: Elaboración propia.
y
variante de a ∞.
102
La Tabla 2.21 muestra los resultados sobre el sobrepaso máximo, tiempo de levantamiento, y tiempo de asentamiento para
= 1,
= 0; 0,06924; 0,085 y 0,1 .
Todas las especificaciones de diseño se satisfacen con mente que
= 0,085. Se debe mantener en
sólo debe ser lo suficientemente grande para satisfacer los requisitos de
desempeño. Una
grande corresponde a un BW grande, lo cual puede causar problemas
con ruido de alta frecuencia, y también tiene que ver con el valor del capacitor en la realización del circuito con amplificadores operacionales. Tabla 2.21: Respuestas al escalón unitario con y sin control PD.
0 0,06924 0,085 0,1
0,0498 0,0365 0,0334 0,0303
1,1575 0,1971 0,1805 0,1467
0,1245 0,0931 0,0883 0,0862
MP % 67,0 7,2191 4,5829 2.9059
Fuente: Elaboración propia.
La Figura 2.28 muestra las respuestas al escalón unitario del sistema en lazo cerrado sin y con controlador PD donde,
= 1y
= 0,085
Con el control PD, el sobrepaso máximo es 4.6%. En el presente caso, aunque escoge para amortiguamiento crítico, el sobrepaso se debe al cero en función de transferencia en lazo cerrado.
= −
⁄
se de la
103
Figura 2.28: Respuesta al escalón unitario del sistema de seguimiento con y sin control PD. Fuente: Elaboración propia.
104
Diseño electrónico del subsistema de control 2.3.2.1. Circuito comparador
Para la aplicación se empleará un comparador en base a un amplificador de diferencias. Una de las características más importantes de un amplificador de diferencias es su CMRR porque la señal de entrada típica es una pequeña tensión diferencial y una gran tensión en modo común. Los Op-amps de propósito general tienen su CMRR muy bajo por lo que operacionales como el 741 no son útiles en este caso, por tanto optaremos por operacionales que son diseñados específicamente para este tipo de aplicación, denominados de precisión como el OP-07A (Figura 2.29) que entre sus características principales podemos citar: Tabla 2.22: Principales características del C.I. OP 07.
1 Bajo offset de voltaje. 2 CMRR mínima igual a 110 dB.
3 Alta impedancia de entrada en modo diferencial 31 MΩ. Fuente: Elaboración propia.
Más detalle en Anexo C, donde se encuentra referido hoja de especificaciones.
Figura 2.29: Operacional OP 07, izquierda; encapsulado DIP, derecha; esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.
Otro factor que degrada la CMMR es la tolerancia de las resistencias a la entrada, las cuales cambian la ganancia afectando la CMRR. 105
Para evitar su efecto la solución consiste en incrementar la impedancia de entrada del circuito, y esto se logra colocando a las entradas dos seguidores (montaje seguidor con operacionales), como se muestra en el esquema de la Figura 2.30. Para que el circuito esquemático de la Figura 2.30 funcione como un comparador (amplificador de diferencias), tiene que darse el caso de resistencias forman un puente balanceado.
=
, condición en la que las
La alimentación de los C.I. operacionales es simétrica, es decir serán alimentados con + 12 V y − 12 V, los cuales por ser bastante obvios no figuran en los esquemas, donde se muestra únicamente la circuitería necesaria para manejar las señales de control del subsistema. Gracias a esta alimentación simétrica es que el rango de voltaje a la salida de los amplificadores operacionales es teóricamente de ± 12 V , lo que implica que a la salida, en
este caso del comparador diferencial según la señal en la entrada negativa sea mayor o menor, el voltaje será positivo o negativo. Esto significa que el motor podrá girar según sea el caso en sentido horario o antihorario respectivamente. Todos los esquemas electrónicos al igual que este se elaboraron con el software de electrónica PROTEUS versión 8.2.
106
Figura 2.30: Esquema electrónico del discriminador de error (amplificador de diferencias). Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.23: Lista de componentes del amplificador diferencial.
Categoría
Cantidad
Referencia
Valor
Resistencias
2
R1-R2
1kΩ
Resistencias
2
R3-R4
10kΩ
2
U1-U2
UA 741
1
U3
OP 07
Circuitos integrados Circuitos integrados Misceláneos
2
Código
KXOB22
Fuente: Elaboración propia.
2.3.2.2. Circuito Compensador (controlador PD)
De las dos posibles implementaciones del controlador PD, sugeridas en el texto Sistemas de Control Automático del autor Benjamin C. Kuo 7ma edición en Español, pág. 673, Se opta por emplear el circuito de la Figura 10-4 (b), del libro en cuestión, donde se demuestra que:
107
∧
Ec. 2.33
Lo importante del esquema elegido es que cada parámetro es independiente uno respecto del otro, el único cuidado que se debe tener es procurar no tener valores muy grandes de . Para su implementación se empleara operacionales de uso general como el C.I. UA 741 (Figura 2.31), hoja de especificaciones en Anexo C.
Figura 2.31: Operacional UA 741, izquierda; encapsulado DIP, derecha; esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.
Por tanto de la ecuación
2.33
para
1y
0,085 (valores para los cuales el
subsistema cumple con las especificaciones de diseño), resulta:
0,085 1 10
1000 ∗ 1
1 Ω
85000 Ω ≅ 82kΩ
Un circuito diferenciador RC, como el derivador de la Figura 2.32, tiende a ser ruidoso, porque la combinación de
, en este caso
8, y
, en este caso
1 , forma un
amplificador de muy alta ganancia a altas frecuencias y el ruido se compone principalmente de altas frecuencias. La solución a este problema es simplemente agregar un resistor,
, en este caso 6, en
serie con el capacitor para que actúe como un filtro pasobajas con el fin de reducir la ganancia en altas frecuencias. El resistor deberá ser pequeño (usualmente
10 veces)
comparado con el resistor de realimentación para que el efecto en la señal deseada sea despreciable.
108
Además, se puede agregar un resistor de compensación
, en este caso 9, a la entrada no
inversora, para balancear los efectos de la corriente de polarización.
Figura 2.32: Esquema electrónico del controlador PD. Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.24: Lista de componentes del controlador PD.
Categoría
Cantidad
Referencia
Valor
Capacitores
1
C1
1µ
Resistencias
6
R5-R7,R9-R12
1kΩ
Resistencias
1
R8
82kΩ
3
U4-U6
Circuitos integrados
Código
UA 741
Fuente: Elaboración propia.
2.3.2.3. Circuito amplificador de seguimiento
Este bloque del subsistema de control estará formado por dos etapas de amplificación, primero: una etapa de amplificación en tensión y la segunda una etapa de amplificación en corriente como lo muestra el diagrama en bloques de la Figura 2.33. 109
Figura 2.33: Diagrama en bloques del amplificador de seguimiento. Fuente: Elaboración propia.
2.3.2.3.1. Pre-amplificador (amplificador en tensión)
Esta etapa estará encargada de elevar el voltaje
proveniente del controlador PD, de
algunos milivoltios a tensiones proporcionales a la ganancia de la etapa, capaces de excitar los motores DC. La ganancia del amplificador de seguimiento será regulable, esto por motivos de ajuste, y su valor mínimo resultado del cálculo realizado anteriormente será componente encargado de la regulación es el potenciómetro de 20 kΩ RV1.
≥ 0.25 , el
En su implementación se empleó Op-amps rápidos (BI FET) y compensados internamente, como el TL 081 (Figura 2.34), hoja de especificaciones en Anexo C, esto debido a: Tabla 2.25: Principales características del C.I. TL 081.
1 Bajo offset de voltaje y desequilibrio de corrientes de entrada. 2 Alta rapidez de variación de voltaje 16 V⁄μs.
3 Altísima impedancia de entrada (BI FET) 10 Ω. Fuente: Elaboración propia.
110
Figura 2.34: Operacional TL 081, izquierda; encapsulado DIP, derecha; esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.
El esquema electrónico no es más que un amplificador operacional en montaje inversor realimentado, el cual se muestra en la Figura 2,37 junto a la etapa de potencia. 2.3.2.3.2. Amplificador de potencia
Debido a sus ventajas respecto a los bipolares (Tabla 2.26), esta etapa del amplificador de seguimiento se implementará con transistores MOSFET de potencia. Tabla 2.26: Principales ventajas de los MOSFET.
1 Elevada ganancia en corriente. 2 Conmutación rápida y limpia. 3
Bajo consumo de potencia, debido a su baja resistencia
en estado de
conducción y a su alta impedancia en estado apagado.
Fuente: Elaboración propia.
Los MOSFET se disponen en una configuración complementaria en fuente común para proporcionar ganancia de potencia. Cada transistor cambia entre el estado encendido y el estado apagado y cuando uno está encendido, el otro está apagado. Cuando un transistor está encendido hay muy poco voltaje a través de él y, por consiguiente, se disipa poca potencia aun cuando puede que circule mucha corriente a través de él. Cuando un transistor está apagado, no hay corriente a través de él, y consecuentemente, no se disipa potencia. La única ocasión en que se disipa potencia en los transistores es durante el corto tiempo de conmutación. 111
La potencia suministrada a una carga puede ser muy alta porque a través de ella habrá un voltaje casi igual a los voltajes de fuente y una alta corriente. En general se utilizan los E-MOSFET en aplicaciones de conmutación debido a su característica de umbral
.
Por tanto, en este caso emplearemos los E-MOSFET IRF 520 e IRF 9520, sus principales características técnicas se muestran en la Tabla 2.27 y Tabla 2.28, y su encapsulado y esquema de conexiones en la Figura 2.35 y Figura 2.36 respectivamente, más detalle en Anexo C. Tabla 2.27: Principales especificaciones del transistor MOSFET IRF 520.
Parámetro
Mínimo Típico Máximo Unidad
Voltaje de ruptura drenador – fuente. Resistencia estática de conducción drenador – fuente. Corriente máxima de drenador. Transconductancia. Voltaje fuente.
umbral
compuerta
–
100
-
-
V
-
-
0,27
Ω
-
-
9,2
A
2,7
-
-
S
2
-
4
V
Elaboración propia.
Figura 2.35: Transistor MOS IRF 520, izquierda; encapsulado, derecha; esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.
112
Tabla 2.28: Principales especificaciones del transistor MOSFET IRF 9520.
Parámetro
Mínimo Típico Máximo Unidad
Voltaje de ruptura drenador – fuente.
-100
-
-
V
-
-
0,6
Ω
Corriente máxima de drenador.
-
-
-6,8
A
Transconductancia.
2
-
-
S
Voltaje umbral compuerta – fuente.
-2
-
-4
V
Resistencia
estática
de
conducción
drenador – fuente.
Elaboración propia.
Figura 2.36: Transistor MOS IRF 9520, izquierda; encapsulado, derecha; esquema de conexiones. Fuente: Elaboración propia.
Estos transistores como todos los componentes del subsistema de control están dimensionados en base a los requerimientos de los motores DC, que se establecieron en la sección 2.1.4. De los cuales los parámetros más determinantes en el diseño son la corriente de arranque de: ≅ 1.25
1,25 ∗ 5,5
y la tensión de alimentación de 12 V continuos.
6,87 A
113
De acuerdo a lo mencionado, los transistores de potencia inmersos en el diseño deben ser capaces de disipar y mantenerse estables en cuanto a las variaciones de temperatura. También, la fuente lineal de potencia, debe ser capaz de suministrar dicha tensión y corriente al motor, para su funcionamiento, pero su diseño lo abordaremos más adelante.
Figura 2.37: Esquema electrónico del amplificador de seguimiento. Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.29: Lista de componentes del amplificador de seguimiento.
Categoría
Cantidad
Referencia
Valor
Resistencias
1
R13
470Ω
Potenciómetros
1
RV1
20kΩ
1
U8
Transistores
2
Q1-Q2
Motor DC
1
M1
Circuitos integrados
Código
TL 081 IRF 520 IRF 9520 MB6340-001
Fuente: Elaboración propia.
114
2.3.2.4. Circuito de realimentación
Para la realimentación de la posición se empleará un potenciómetro rotatorio lineal, modelo WDD35D (Ver Anexo C) de 10 kΩ de resistencia, el cual estará debidamente acoplado, en cada grado de libertad, al eje del engrane de salida. (Figura 2.38).
1
2
Figura 2.38: Realimentación por potenciómetro rotatorio lineal. Fuente: Elaboración propia.
Tabla 2.30: Dispositivos de realimentación del subsistema de control.
N° Pieza 1
2
Descripción
Potenciómetro de Dispositivo encargado de realimentar la posición de salida elevación
del eje de elevación.
Potenciómetro de Dispositivo encargado de realimentar la posición de salida azimut
del eje de azimut.
Fuente: Elaboración propia.
Del modelado matemático se conoce que el voltaje de salida del potenciómetro y la constante de proporcionalidad son igual a:
2
115
Donde
es la magnitud del voltaje de referencia aplicado a las terminales fijas.
Para una constante de proporcionalidad , para
1, debe ser igual a:
2
igual a la del discriminador de error 0,1 A⁄rad, 2 ∗ 0,1
0,628 V
Figura 2.39: Esquema y tensiones de la realimentación. Fuente: Elaboración propia.
En la Figura 2.40 se observa la implementación del circuito de realimentación por potenciómetro rotatorio lineal y su correspondiente etapa de regulación en tensión.
Figura 2.40: Esquema electrónico de realimentación de posición con potenciómetro. Fuente: elaboración propia.
116
Tabla 2.31: Lista de componentes del circuito de realimentación.
Categoría
Cantidad
Referencia
Valor
Código
Capacitores
1
C2
330nF
334
Capacitores
1
C3
100nΩ
104
Resistencias
1
R14
71kΩ
1
U10
UA 741
1
U10
LM 7805
Diodos
1
D1
1N4001
Potenciómetros
1
RV2
Zócalo
1
J1
Circuitos integrados Circuitos integrados
10kΩ CONN SIL 2
Fuente: elaboración propia.
2.3.2.5. Circuito de alimentación
Este circuito será el encargado de proveer la potencia necesaria DC a los circuitos del subsistema de control. Puesto que el sistema seguidor solar es un sistema aislado, cuya fuente de potencia es un generador fotovoltaico, la fuente de alimentación se diseñó para aprovechar la potencia generada en el sistema. Para su diseño se contempló los siguientes puntos:
Sera del tipo lineal, y el voltaje de entrada a emplear para su diseño será el voltaje DC de salida del regulador(24 V), tensión que se convertirá en simétrico de ± 12 V para poder alimentar los amplificadores operacionales empleados en los circuitos de control.
Deberá ser capaz de abastecer la potencia necesaria para el funcionamiento de los circuitos de control y el accionamiento de los motores DC.
117
Su diseño, realizado en Proteus, se muestra en la Figura 2.41.
Figura 2.40: Esquema electrónico de la fuente de alimentación. Fuente: elaboración propia.
Tabla 2.31: Lista de componentes del circuito de realimentación.
Categoría
Cantidad
Referencia
Valor
Código
Capacitores
2
C4-C5
47µF
334
Resistencias
2
R15-R16
71kΩ
Diodos
2
D2-D3
12V
1N4742
Fuente: elaboración propia.
118
CAPÍTULO III
ANÁLISIS ECONÓMICO
El análisis de costos elaborado contempla en su totalidad piezas, dispositivos y accesorios del conjunto de los subsistemas que componen el seguidor solar diseñado. Los precios unitarios que detallaremos corresponden a precios del mercado y moneda nacional, recabados en tiendas locales y la Web. Algunas máquinas y dispositivos no se comercian en el medio, por lo que su valor de mercado se cambió de Dólares a Bolivianos con la tasa cambiaria de 6,96 Bs., más un costo de envió, promedio aproximado, igual al 50% de su valor.
119
3.1. COSTOS DEL SUBSISTEMA DE CAPTACIÓN
Tabla 3.1: Costos del subsistema de captación.
A: MATERIALES Nº ITEM
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
1 Panel solar 240W
pza
1,0
3.000,00
3000,00
2 Bateria solar 70Ah
pza
2,0
1.000,35
2000,70
3 Regulador de carga 10A - 12/24V
pza
1,0
550,00
550,00
5 Fusible gPV 15A/600V DC
pza
1,0
62,00
62,00
6 Portafusible gPV 1000V DC - 10 x 38
pza
2,0
110,00
220,00
7 Fusible gPV 10A/600V DC
pza
1,0
62,00
62,00
8 Tablero de control
pza
1,0
320,00
320,00
9 Cable PV ZZF de 0,75 mm2
ml
1,0
2,50
2,50
11 Cable PV ZZF de 1,5 mm2
ml
3,0
3,00
9,00
12 Cable PV ZZF de 2,5 mm2
ml
2,0
3,50
7,00
TOTAL A
6233,20
B: MANO DE OBRA Nº ESPECIFICACIONES
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
1 Maestro instalador
h
16,0
20,00
320,00
2 Ayudante instalador
h
16,0
10,00
160,00
480,0
0,05
24,00
5% MANO DE OBRA INDIRECTA
TOTAL B
504,00
120
C: MAQUINA - HERRAMIENTA ESPECIFICACIONES
DESGATE HERRAMIENTA 5%
PRECIO CANTIDAD UNIT. Bs. 504,0
0,05
TOTAL C
PRECIO TOTAL Bs. 25,20
25,20
6762,40
D: SUMA PARCIAL A+B+C
E: GASTOS GENERALES
0,11
743,86
F: UTILIDAD
0,11
743,86
G: PRECIO D+E+F
8250,13
121
3.2. COSTOS DEL SUBSISTEMA MECÁNICO
Tabla 3.2: Costos del subsistema mecánico.
A: MATERIALES Nº ITEM
Tubo aluminio de perfil rectangular de 70 x 40 x 4 mm Tubo de aluminio de perfil cuadrado 2 de 40 x 40 x 4 3 Tornillo y tuerca M6 x 55 1
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
bra
1,0
230,00
230,00
bra
1,0
128,00
128,00
pza
4,0
4,50
18,00
4 Tornillo y tuerca M6 x 50
pza
4,0
4,50
18,00
5 Barra de aluminio perfil X de 50 x 50
ml
0,1
25,00
2,50
6 Tornillo ST2,9 x 6,5
pza
4,0
0,50
2,00
7 Pletina de aluminio de 50 x X x 4 Barra de acero inoxidable de 200 x X 8 x 7 mm Pletina de acero inoxidable de 50 x X 9 x 35 mm Tubo de acero inoxidable perfil 10 circular de 38 mm x 3 mm 11 Cojinetes de valona de cobre Tubo de acero inoxidable perfil 12 circular de 55 x 5 mm 13 Pasador M8 x 50
ml
0,1
10,00
1,00
ml
0,5
35,00
17,50
ml
0,5
10,00
5,00
ml
0,5
15,00
7,50
pza
2,0
12,00
24,00
ml
0,2
8,00
1,60
pza
3,0
3,50
10,50
14 Tornillo y tuerca M6 x 20
pza
8,0
3,50
28,00
15 Cojinete de teflon tipo disco
pza
1,0
7,00
7,00
16 Cojinete de teflon tipo radial Tubo de acero inoxidable perfil 17 circular de 101,6 x 4,5 mm Tubo de acero inoxidable perfil 18 circular de 120 x 7,5 mm 19 Tornillo y tuerca M4 x 25
pza
2,0
7,00
14,00
ml
1,5
28,00
42,00
ml
0,3
18,00
4,68
pza
2,0
3,50
7,00
20 Tornillo y tuerca M4 x 10
pza
2,0
2,80
5,60
122
Engrane helicoidal DIN – RH 2,5M 100T 3,98HA 20PA 25PW 22 Tornillo sin fin 2,5M 3,98HA 20PA 21
pza
1,0
175,00
175,00
pza
2,0
120,00
240,00
23 Mecatubo de 120 x 60 x 5 mm
ml
1,2
42,00
50,40
24 Acople flexible de 6 -10 mm Rodamientos de bolas radiales de 25 Øint 10 mm 26 Motor DC MB 63 40 001
pza
2,0
45,00
90,00
pza
4,0
35,00
140,00
pza
2,0
350,00
700,00
27 Motorreductor RB 6380
pza
2,0
245,00
490,00
28 Tornillo y tuerca M4 x 25
pza
8,0
3,50
28,00
29 Apoyos de goma Motorreductor RB 6380 con motor 32 DC MB 63 40 001
pza
4,0
3,00
12,00
pza
2,0
191,50
383,00
TOTAL A
2882,28
B: MANO DE OBRA Nº ESPECIFICACIONES
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
1 Maestro mecanico
h
120,0
20,00
2400,00
2 Ayudante de mecánica
h
120,0
10,00
1200,00
3 Maestro soldador
h
16,0
20,00
320,00
4 Aydante de soldador
h
16,0
10,00
160,00
5 Tornero
h
8,0
30,00
240,00
4320,0
0,05
216,00
5% MANO DE OBRA INDIRECTA
TOTAL B
4536,00
C: MAQUINA - HERRAMIENTA ESPECIFICACIONES
PRECIO CANTIDAD UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
123
1 Torno
h
4,0
60,00
240,00
2 Arco de soldar 5% DESGATE DE HERRAMIENTA
h
8,0
25,00
200,00
440,0
0,05
22,00
TOTAL C
462,00
7880,28
D: SUMA PARCIAL A+B+C
E: GASTOS GENERALES
0,11
866,83
F: UTILIDAD
0,11
866,83
G: PRECIO D+E+F
9613,94
124
3.3. COSTOS DEL SUBSISTEMA DE CONTROL
Tabla 3.3: Costos del subsistema de control.
A: MATERIALES Nº ITEM
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
1 Resistencia 1/4 W-1kΩ
pza
20,0
0,30
6,00
2 Resistencia 1/4 W-10kΩ
pza
8,0
0,30
2,40
3 Resistencia 1/4 W-82kΩ
pza
2,0
0,30
0,60
4 Resistencia 1/4 W-470Ω
pza
2,0
0,30
0,60
5 Capacitor electrolitico 1µF/15V
pza
2,0
0,80
1,60
6 Circuito integrado UA 741
pza
12,0
3,50
42,00
7 Circuito integrado OP 07
pza
2,0
5,00
10,00
8 Circuito integrado TL 081
pza
2,0
5,00
10,00
9 Transistor IRF 520
pza
2,0
8,00
16,00
10 Transistor IRF 9520
pza
2,0
8,00
16,00
11 Sensor de luz KXOB22-04X3L
pza
4,0
34,45
137,80
12 Potenciometro lineal de 1/2W-20kΩ
pza
2,0
6,00
12,00
13 Circuito integrado LM7805
pza
2,0
4,00
8,00
14 Capacitor de ceramica de 330nF/10V
pza
2,0
0,50
1,00
15 Capacitor de ceramica de 100nF/10V
pza
2,0
0,50
1,00
16 Diodo 1N4001
pza
2,0
1,00
2,00
17 Resistencia 1/4 W-71kΩ
pza
2,0
0,30
0,60
18 Potenciometro lineal de 1/2W-10kΩ
pza
2,0
4,00
8,00
19 Diodo zener 1N4742A
pza
4,0
1,20
4,80
20 Capacitor electrolitico de 47µF/16V Potenciometro lineal de 10kΩ modelo 21 WDD35D1 22 Placa de fenolite de 300 x 250 mm
pza
4,0
1,50
6,00
pza
2,0
25,00
50,00
pza
1,0
38,00
38,00
23 Perclorato de hierro PF - 4
lt
1,0
23,00
23,00
24 Alambre de estaño
ml
2,0
1,40
2,80
125
25 Broca de 0,8 mm
pza
1,0
6,00
TOTAL A
6,00
406,20
B: MANO DE OBRA Nº ESPECIFICACIONES
UNIDAD CANTIDAD
PRECIO UNIT. Bs.
PRECIO TOTAL Bs.
1 Técnico electrónico
h
48,0
20,00
960,00
2 Ayudante
h
48,0
10,00
480,00
1440,0
0,05
72,00
5% MANO DE OBRA INDIRECTA
TOTAL B
1512,00
C: DESGASTE DE HERRAMIENTAS ESPECIFICACIONES
DESGATE HERRAMIENTA 5%
PRECIO CANTIDAD UNIT. Bs. 1512,0
0,05
TOTAL C
PRECIO TOTAL Bs. 75,60
75,60
1993,80
D: SUMA PARCIAL A+B+C
E: GASTOS GENERALES
0,11
219,32
F: UTILIDAD
0,11
219,32
G: PRECIO D+E+F
2432,44
126
3.4. COSTO TOTAL
Tabla 3.4: Costo total
COSTO Bs.
SUBSISTEMA
CAPTACIÓN
8250,13
MECÁNICO
9613,94
CONTROL
2432,44
TOTAL
Bs. 20297,00 6,96 $
2916,24
127
128
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES 1. Se ha conseguido diseñar un seguidor fiable, que puede seguir el Sol en todo momento e independientemente de la acción del viento. Esto se consiguió gracias al carácter irreversible del tornillo sin fin, que ayuda a bloquear el seguidor en caso de ráfagas de viento. 2. Con el subsistema de control incorporado al sistema seguidor, se estima incremente su rendimiento en la captación de energía solar cerca del 30% (incremento normal en sistemas de este tipo), esto gracias al seguimiento continuo del Sol, lo cual permite al sistema contar con una mayor potencia de suministro. 3. El sistema al ser un prototipo piloto genera una cantidad de energía pequeña, pero la tecnología o el diseño se puede aplicar en plantas de generación fotovoltaica de mayores proporciones capaces de generar potencias del orden de los 10kW – 10MW. Actualmente este tipo de plantas tienen un desarrollo marcado en España y EEUU. 4. El sistema de seguimiento solar diseñado, por su simplicidad, es altamente fiable, seguro y económico. En relación con el costo de otros sistemas similares existentes en el mercado como el seguidor FEINA SF9, el costo del sistema diseñado es inferior en un 10%. Costo que se reduciría aún más si acaso no se importaran piezas y componentes inexistentes en el mercado nacional. 5. El proceso de diseño del sistema seguidor solar por etapas, me permitió, realizar un análisis más específico, un interpolado y ajuste de los diseños de los elementos que conforman los subsistemas más eficiente, por ende ahorrar tiempo.
129
6. Durante el desarrollo del proyecto, me di cuenta que, para un diseño efectivo de un sistema automático de control, en la actualidad, no basta con conocer y relacionar las distintas áreas del conocimiento aplicados en el trabajo de graduación, como ser: Electricidad, Mecánica, Electrónica, Automatización, etc., sino que conocer y manejar el diseño asistido por computador (CAD) es fundamental e indispensable. Por tanto, programas como Proteus, MatLab, SolidWorks se constituyeron en herramientas imprescindibles para cumplir con el diseño del sistema seguidor.
130
RECOMENDACIONES 1. Un inconveniente que presenta el sistema es que requiere diariamente una acción externa de reorientación, debido a que el sistema queda fijo en su última posición cuando el sol se pone y cuando vuelve a salir este sigue o permanece en la misma posición, lo cual impide que las fotoceldas reciban la luz del sol. Para subsanar el mismo se recomienda incorporar al sistema un temporizador, es decir, un reloj que cada 24 horas envié una señal que active un interruptor que haga posible alimentar de manera directa al motor con la fuente de voltaje VEE, esto hasta ubicar el colector en dirección al Sol. 2. Las mejoras en el presente trabajo son varias, empezado por implementar el control digital, es decir algoritmos matemáticos incorporados en microprocesadores, computadoras, etc., que además de facilitar el control este abarataría los costos. Otro punto si acaso se pretende aplicarlo en la generación a gran escala de electricidad, es cambiar la acción eléctrica por una acción hidráulica, aparte de los actuadores que en este caso serían motores de la variedad AC. 3. A modo de complemento educativo sería interesante elaborar su equivalente digital de este mismo sistema de control, así junto con este serian de gran ayuda para la clase de control automático, y una manera de adquirir practica de los sistemas de control para los estudiantes.
131
BIBLIOGRAFÍA Libros: [1] S. Sánchez Miño, Energías
Renovables (Conceptos y Aplicaciones),
1ra Ed., Quito:
Fundación Natura, 2003. [2] J. Ribot Martín,
Curso de Energía Solar,
4ta Ed., España: Centro de Tecnología
Educativa S.A., 2001. [3] B. C. Kuo, Sistemas
de Control Automático,
[4] K. Ogata, Ingeniería [5] N. S. Nise, Sistemas
de Control Moderna,
7ma Ed., México: Prentice Hall, 1996.
3ra Ed., México: Prentice Hall, 1993.
de Control para Ingeniería,
1ra Ed., México: Patria, 2010.
[6] W. Bolton, Mecatrónica, 2da Ed., México: Alfaomega, 2001. [7] T. J. Maloney, Electrónica
Industrial Moderna,
[8] R. Coughlin y F. Driscoll,
Amplificadores Operacionales y Circuitos Integrados
Lineales,
5ta Ed., México: Pearson, 2006.
1ra Ed., México: Prentice Hall, 1993.
[9] A. P. Malvino, Principios [10] R. Hernández,
de Electrónica,
6ta Ed., España: McGraw Hill, 2000.
Introducción a los Sistemas de Control (conceptos, aplicaciones
y simulación con MATLAB),
1ra Ed., México: Pearson, 2010.
[11] F. Sears, M. Zemansky, H. Young y R. Freedman, Física
Universitaria,
11va Ed.”,
México: Pearson, 2006, Vol 1-2.
132
Tesis:
[12] J. I. Guachimboza y H. M. Tayo, “Diseño e implementación de un módulo didáctico y software de simulación para visualizar la curva característica de celdas y paneles fotovoltaicos”, Proyecto de grado, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador, 2011.
[En
línea].
Disponible
en:
http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/
15000/4093/1/CD-3825.pdf [13] D. Guardado y V. Rivera, “Implementación de un seguidor solar en dos ejes para el sistema fotovoltaico de la escuela superior de ingeniería”, Proyecto de grado, Universidad de el Salvador, San Salvador, 2012. [En línea]. disponible en: http://ri.ues.edu.sv/2045/1/Implementaci%C3%B3n_de_seguidor_solar_en_dos_ejes_ para_el_Sistema_Fotovoltaico_de_la_Escuela_de_Ingenier%C3%ADa_El%C3%A9c trica_de_la_UES.pdf [14] J. Beltrán, “Prototipo fotovoltaico con seguimiento del Sol para procesos electroquímicos”, Tesis de Maestría, CENIDET, Cuernavaca, México, 2013. [En línea]. Disponible en: www.cenedit.edu.mx/subaca/web.../40%20Jose%20Beltran% 20Adan.pdf [15] J. I. Herrera y N. G. Molina, “Diseño, análisis e implementación de un sistema de control para seguimiento solar en dos ejes”, Tesis de Licenciatura, Universidad Don Bosco, El Salvador, 2010. [En línea]. Disponible en: http://rd.udb.edu.sv:8080/jspui/ bitstream/123456789/261/1/47406_tesis.pdf [16] J. M. Gonzales, “Diseño de los mecanismos para un seguidor solar pseudo ecuatorial”, Tesis de Maestría, ESIME, México, D.F., México, 2012. [En línea]. Disponible en: http://www.sepi.esimez.ipn.mx/archivos/2012/febrero.pdf
133
Sitios Web:
[17] (2010) bitstream. Acceso. Enero 2015. [En línea]. disponible en: http://tdx.cat/ bitstream/handle/10803/6839/10Nvm10de17.pdf?sequence=11 [18] Acceso. Marzo 2015. [En línea]. disponible en: https://es.m.wikipedia.org/wiki/ Seguidor solar [19] Acceso. Abril 2015. [En línea]. disponible en: http://edii.ucml.es/~arodenas/ Solar/componentes.htm [20] Acceso.
Abril
2015.
[En
línea].
disponible
en:
http://www.energetica.org.bo/mapasolar/ [21] Acceso. Junio 2015. [En línea]. disponible en: http://e-archivo.uc3m.es/handle/ 10016/8021 [22] Acceso. Enero 2016. [En línea]. disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Categor %C3%ADa:Motores_el%C3%A9ctricos [23] Acceso. Abril 2016. [En línea]. disponible en: https://es.scribd.com/doc/45482901/ Controlador-Proporcional-Derivativo [24] Acceso. Abril 2016. [En línea]. disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/ Sensor_fotoeléctrico [25] Acceso.
Abril
2016.
[En
línea].
disponible
en:
http://robots-
argentina.com.ar/Sensores_fotovoltaicas.htm
134
ANEXOS
135
ANEXO A INFORMACION COMPLEMENTARIA
136
Anexo A.1 Sistema fotovoltaico Un sistema fotovoltaico es un conjunto de dispositivos que, a partir de la radiación solar, produce energía eléctrica, esto se logra gracias al efecto fotovoltaico descubierto por el físico francés
Edmund Becquerel (1839), en condiciones de ser aprovechada por el
hombre. El sistema consta de los siguientes elementos (Figura: a y b):
Un generador solar, compuesto por un conjunto de paneles fotovoltaicos, que captan la radiación luminosa procedente del sol y la transforman en corriente continua a baja tensión (12 ó 24 V).
Un controlador de carga, cuya función es evitar sobrecargas o descargas excesivas al acumulador, que le produciría daños irreversibles; y asegurar que el sistema trabaje siempre en el punto de máxima eficiencia.
Una batería o acumulador, que almacena la energía producida por el generador y permite disponer de corriente eléctrica fuera de las horas de luz o días nublados.
Un inversor (opcional), que transforma la corriente continua de 12 ó 24 V almacenada en la batería, en corriente alterna de 110 V ó 220 V.
a) Instalación solar fotovoltaica sin inversor, utilización a 12 Vcc.
137
b) Una instalación solar fotovoltaica con inversor, utilización a 220 Vca
Una vez almacenada la energía eléctrica en la batería hay dos opciones: sacar una línea directamente de éste para la instalación y utilizar lámparas y elementos de consumo de 12 ó 24 Vcc (Figura: a) o bien transformar la corriente continua en alterna de 220 V a través de un inversor (Figura: b). Elementos de un sistema fotovoltaico Colector (panel) fotovoltaico Los módulos fotovoltaicos o colectores solares (llamados a veces paneles solares, aunque esta denominación abarca otros dispositivos) están formados por un conjunto de celdas (células fotovoltaicas) que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos (radiación solar de espectro visible). Los paneles fotovoltaicos están formados por un cristal o lámina transparente superior y un cerramiento inferior entre los que queda encapsulado el sustrato conversor y sus conexiones
eléctricas.
La
lámina
inferior
puede
ser
transparente, pero lo más frecuente es un plástico de tedlar. Para encapsular se suele añadir unas láminas finas y transparentes de EVA que se funden para crear un sellado
Célula fotovoltaica
antihumedad, aislante, transparente y robusto. Célula fotovoltaica Su funcionamiento, como se muestra en la Figura, se basa en el hecho de que los fotones de la luz solar chocan contra la célula fotovoltaica y son absorbidos por un material 138
semiconductor, por ejemplo el silicio. La energía suministrada por el fotón permite romper la unión de los electrones de valencia, o cargas negativas, de los materiales semiconductores, produciéndose un movimiento de electrones hacia las zonas donde no inciden los fotones. Sin embargo los huecos, o cargas positivas, también se mueven en la misma dirección para mantener la estabilidad, por lo tanto, al no hacerlo en sentidos opuestos, no se crea una corriente eléctrica.
Esquema de funcionamiento de las células fotovoltaicas.
Para producir corriente eléctrica hay que orientar el flujo de huecos y electrones, esto se consigue creando un campo eléctrico en el interior de los materiales semiconductores. Dicho campo eléctrico se consigue mediante la unión de regiones de semiconductor que han sido tratadas con adiciones de elementos, de forma que unas tienen más afinidad a los electrones y otras a los huecos. Estas son las denominadas regiones p y n respectivamente. Si los semiconductores están correctamente colocados y se aplica un potencial a la célula, al incidir los fotones se produce corriente eléctrica. La
corriente
continua,
esta
eléctrica se
producida
puede
es
almacenar,
consumir directamente o transformarla, mediante
inversores
eléctricos,
en
corriente alterna para su consumo directo o su transporte y distribución en otras Circuito eléctrico equivalente de una célula fotovoltaica. localizaciones. 139
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 1.000 W/m²
Temperatura de célula de 25 oC (no temperatura ambiente).
Tipos de paneles fotovoltaicos Las placas fotovoltaicas se dividen en: Cristalinas Monocristalinas: La mayoría de las celdas solares actualmente en el mercado son monocristalinas. La fabricación consiste en purificar el silicio, fundirlo y éste se cristaliza en lingotes que son cortados en finas rodajas de 250 a 350 μm para hacer celdas individuales. Las celdas monocristalinas tienen un color uniforme, generalmente azul o negro. Policristalinas: Las celdas policristalinas se fabrican de forma similar a las monocristalinas. La diferencia es que están formadas por pequeñas partículas cristalizadas y se utiliza un silicio muy económico (de bajo costo). Por lo general se tiene una reducción en la eficiencia. La superficie de las celdas policristalinas tiene un patrón irregular y más claro en la cristalización en lugar del color homogéneo de la monocristalina.
a) Celda monocristalina, b) Celda policristalina
Celda de Silicio tipo "Ribbon": Esta celda fotovoltaica se fabrica estirando el silicio fundido en lugar de cristalizarlo en un lingote o bloque. El funcionamiento es el 140
mismo que en el caso de las células monocristalinas y policristalinas. El recubrimiento anti-reflectivo utilizado en la mayoría de las células "ribbon" tiene una apariencia prismática multicolor. Tecnología Thin Film Este tipo de tecnología tiene una eficiencia menor a la de la tecnología convencional, pero es la más barata y ligera, razón por la cual se recomienda ampliamente su uso en tejados, tienen un grosor promedio de 5 μm, entre éstas se tiene: Amorfas: Esta celda usa una nueva tecnología que consiste en una película delgada de cristal de silicio puro sobre un sustrato de vidrio o cerámica. Esta capa no supera los 20 μm. El espesor de toda la celda es de 300 a 800 μm. El substrato también puede ser plástico lo cual permite obtener un panel flexible. La ventaja de esta tecnología es que es mucho más barata que las
Celda amorfa
celdas cristalinas. Una desventaja es que el silicio amorfo sufre una degradación debido a la luz al inicio de su operación. Celda de Cobre, Indio, Galio y Diselenuro (CIGS): Es una de las celdas solares con mayor potencial debido a su alta eficiencia y bajo costo. Las celdas CIGS tienen el mayor coeficiente de absorción dentro de la tecnología thin-film, lo que permite que alrededor del 99% de los fotones sean absorbidos. La desventaja es que tiene un complicado método de fabricación lo que
Celda CIGS
implica una necesidad de inversión importante.
141
Celda de Teluro de Cadmio: Es una tecnología thinfilm que está siendo investigada últimamente. Existen gran cantidad de técnicas para fabricar esta tecnología de thin-film, la mayoría de éstas tienen un gran potencial para producción a gran escala. Tiene un costo elevado de materia prima. Celda de Teluro de Cadmio
En la actualidad se desarrolla otro tipo de panel de alta eficiencia y bajo costo denominado de tercera generación basada principalmente en las células solares de película fina y existen programas de investigación y desarrollo prometedores que esperan revolucionar la industria basado en material de nano tubos de carbono. En la Tabla se aprecia los parámetros eléctricos de celdas solares de distintos materiales. Estas celdas son de la máxima eficiencia certificada hasta el momento a nivel de laboratorio: Tabla1.2: Parámetros eléctricos medidos en condiciones de AM 1,5 a 25 oC
TIPO DE CELDA
EFICIENCIA (%) 25
VOC
FF
0,71
0,83
Si policristalino
20,4
0,66
0,81
Si amorfo
9,5
0,86
0,63
Si nanocristalino
10,1
0,54
0,77
GaAs cristalino
26,1
1,04
0,85
Orgánica
5,15
0,88
0,63
32
2,62
0,85
16,7
0,85
0,76
Si cristalino
InGaP/GaAs/Ge CdTe Regulador y control de carga
Para asegurar que un sistema fotovoltaico y los componentes que forman el mismo, tengan una vida útil igual a la especificada, hay necesidad de cuidar que los flujos de energía en el sistema se encuentren dentro los rangos para los cuales fueros diseñados. Uno de los elementos más críticos en este aspecto es la batería, se debe velar por que esta no se descargue demasiado ni que sea cargada en exceso, ya que estos fenómenos provocan una 142
disminución del desempeño de la batería como también una reducción de su vida útil, razón por la cual el uso del regulador es muy importante.
Control de carga con opciones de desvió y bajo voltaje de baterías
Durante la noche el voltaje de salida de los paneles FVS es nulo. Al amanecer, atardecer o en días nublados, el nivel de insolación es bajo y los paneles no pueden cargar las baterías. En este último caso el control de carga cumple un rol pasivo, aislando el banco de acumulación del bloque de generación, evitando su descarga. Cuando la insolación aumenta, el voltaje de los paneles supera al del banco de baterías y el proceso de carga se reanuda. Es entonces cuando el control de carga tiene un rol activo, evitando una gasificación excesiva del electrolito. Función de los reguladores Los reguladores electrónicos de carga o controladores deben cumplir las siguientes tareas
Al haberse alcanzado un nivel máximo de carga en las baterías, la energía excedente proviene de los paneles FVS debe ser bloqueada o derivada a otro lugar por un camino de baja impedancia.
Si la batería ha alcanzado un nivel crítico de descarga, el controlador debe suspender la provisión de energía a todo el sistema de carga. Esta medida es muy necesaria ya que la vida útil de la batería esta también determinada por la cantidad de descargas completas que sufre.
Los puntos (de tensión) máximos y mínimos de control deben poder ser ajustables.
Dar protección a las cargas y al sistema en general contra posibles cortocircuitos.
Debe ofrecer la posibilidad de poder monitorear el estado del sistema mediante indicadores de estado de carga de la batería.
143
Bloquear la circulación de corriente en sentido inverso (de la batería al modulo), que podría darse en horas de la noche, evitando así la descarga de las baterías y posibles daños a los paneles por la sobrecorriente.
Selección del control de carga La selección de un control de carga está determinada por los parámetros eléctricos del sistema (voltaje y amperaje de trabajo), los detalles de diseño (uno o más bloques de carga, tipo de batería y montaje mecánico más conveniente) y por las opciones ofrecidas por el fabricante (funciones auxiliares). Tipos de reguladores Los numerosos modelos ofrecidos en el mercado pueden ser agrupados en dos categorías: reguladores en serie y reguladores en paralelo. Esta clasificación está relacionada con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías. El trabajo que realizan ambos tipos de reguladores es el mismo; el de proteger la batería de sobrecargas y descargas excesivas, diferenciándolos solamente en la forma en la cual trabajan y la disposición de cada uno de sus elementos. Regulador tipo shunt o paralelo Es la forma más tradicional de realizar el control de la carga en sistemas fotovoltaicos, los dispositivos están colocados en paralelo con los paneles y las baterías del sistema, se detecta la tensión en bornes de la batería y cuando esta alcanza un valor predeterminado (máximo), se crea un camino de baja resistencia y a través de ella se deriva la corriente, de modo que la misma no alcance las baterías. Luego de la acción del regulador shunt, el panel FV entra en cortocircuito y no da más voltaje, no recargando la batería. Mientras tanto la potencia eléctrica generada es convertida en calor en los paneles solares, que por lo general no produce ningún problema con paneles del
Control de carga en paralelo con MOSFET
144
mismo tipo. Si a causa de la carga conectada, baja el voltaje de la batería debajo del voltaje final de recarga, el regulador shunt desconecta, y la corriente del panel vuelve a estar disponible. Regulador tipo serie El principio de funcionamiento de este tipo de reguladores, es la desconexión, es decir que, cuando la batería ha alcanzado un estado de carga optimo (plena carga), el regulador procede a desconectar el generador solar de las baterías, dejando abierto el circuito. En otras palabras podemos decir que este tipo de regulador es equivalente a un interruptor. Para un funcionamiento correcto, el regulador serie requiere un suministro estable de corriente de la batería. Pueden presentarse dificultades en el caso de una batería
excesivamente
desconectada.
Otra
descargada desventaja
o del
regulador serie es la perdida de voltaje,
Control de carga en serie
siempre existente en el transistor de conexión, lo que hace disminuya la potencia útil en el panel; si en lugar del transistor se usa un relé como conector, se puede evitar esta desventaja; sin embargo, habrán otras desventajas, como el desgaste de los contactos, un consumo de corriente del relé y otros. En instalaciones de baja potencia, frecuentemente se usa el regulador serie, ya que las desventajas explicadas no son tan graves. Batería o acumulador solar Un sistema fotovoltaico puede estar conectado directamente a diversos tipos de cargas de corriente continua, y estos podrían trabajar bien, durante el tiempo en que el sol estuviera iluminando a los módulos. En la mayor parte de las aplicaciones de sistemas fotovoltaicos, será necesario utilizar baterías o bancos de baterías para almacenar la energía generada durante el día. De esta manera, con la utilización de las baterías, el sistema se tornará más confiable y práctico, principalmente si tenemos en cuenta las noches y la posibilidad de tener días nublados durante el año.
145
Baterías solares de 6V/217Ah y 6V/350Ah
El acumulador de plomo-ácido tiene numerosas aplicaciones. Nuestro interés se reducirá a dos de ellas: las baterías para automotores y las baterías para sistemas FVS (baterías solares). Como la diferencia en el costo de estas dos versiones es apreciable, existe siempre la tentación de usar la batería más económica (automotor) en un sistema FV. Para que puedan apreciar porqué una batería solar representa la solución más adecuada, puntualizaremos las diferencias entre las dos. El modelo de batería usado en los automotores está diseñado para sostener corrientes elevadas (200 a 350 A) por muy breves instantes (segundos) durante el arranque del motor. El resto del tiempo la batería está siendo cargado o permanece inactiva. La batería de un sistema solar, por el contrario, debe ser capaz de sostener corrientes moderadas (una decena de amperes), durante horas. Además, en muchas aplicaciones, deberá permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno). Normalmente, los períodos de reposo son nulos, ya que está siendo cargada o descargada. Diferentes requerimientos de uso sólo pueden satisfacerse con diseños distintos. Características de una batería solar Las características que distinguen a una batería solar, debido a sus electrodos de aleación de antimonio, lo que permite adherir mayor cantidad de material activo, son:
Mayor profundidad de descarga
Alto número de ciclos completos.
146
Acondicionamiento de la potencia (Inversor) Un sistema fotovoltaico produce energía en corriente continua (DC), con valores de tensiones de 6,12 o 24 V; pero muchos equipos requieren para su funcionamiento corriente alterna (AC), por lo tanto, en algunos casos hay necesidad de incluir en el sistema otro equipamiento llamado inversor. El inversor es el elemento que se encarga de transformar la corriente continua proveniente de los módulos fotovoltaicos en corriente alterna para su uso o transporte por la red eléctrica hasta el punto de consumo. Los inversores pueden ser electrónicos y mecánicos. Los electrónicos generalmente tienen una mayor eficiencia y su uso en estos últimos tiempos se ha generalizado y existen múltiples marcas y modelos de inversores, de forma que según el tamaño de la instalación, se podrá seleccionar el que más se adapte a la potencia eléctrica producida.
147
Anexo A.2 Manual de montaje para seguidores solares de dos ejes de FEINA solar S.L.
148
149
150
Anexo A.3 Transmisión por Rueda – Tornillo sin fin En ingeniería mecánica se denomina tornillo sin fin a un dispositivo que transmite el movimiento entre ejes que son perpendiculares entre sí, mediante un sistema de dos piezas: el "tornillo" (con dentado helicoidal), y un engranaje circular denominado "corona o rueda". Relaciones geométricas Cada vez que el tornillo sin fin da una vuelta completa, el engranaje avanza un número de dientes igual al número de entradas del sin fín. El tornillo sin fin puede ser un mecanismo irreversible o no, dependiendo del ángulo de la hélice, junto a otros factores.
La velocidad de giro del eje conducido depende del número de entradas del tornillo y del número de dientes de la rueda. Se puede entender el número de entradas del tornillo como el número de hélices simples que lo forman. En la práctica la mayoría de tornillos son de una sola entrada, por lo que cada vez que éste dé una vuelta, el engranaje avanza un sólo diente. La expresión por la que se rige este mecanismo es similar a la de las ruedas dentadas teniendo en cuenta el número de entradas del tornillo como elemento motor en este caso:
151
Donde:
número de vueltas.
número de dientes de la rueda conducida.
número de entradas del tornillo sin fin.
Teniendo en cuenta que
siempre es mucho menor que
, la relación de transmisión
siempre será menor por lo que actuará como un reductor de velocidad. En el caso habitual de una sola entrada (
1), el tornillo sin fin se hace equivalente a un engranaje que
tuviese un sólo diente, siendo la relación de reducción directamente igual al número de dientes del engranaje. Dirección de la transmisión
Al contrario que en los sistemas de piñón y cremallera, en general (salvo casos especiales) la dirección de la transmisión del movimiento entre los dos ejes no es reversible, especialmente cuando se usan coeficientes de reducción grande con tornillos de una sola espiral: es el tornillo el que hace girar al engranaje, y no al revés. Esto es debido a que la espiral del tornillo es notablemente perpendicular a los dientes de la rueda, dando un momento de giro prácticamente nulo cuando se intenta hacerla girar.
Un sin fin levógiro es aquel en que las espirales del tornillo se inclinan hacia su lado derecho cuando se observa con su eje en posición horizontal
152
Tipos En función de la geometría de los dientes del tornillo y del engranaje, hay tres tipos de configuraciones del sin fin:
Sin garganta.- Es el tipo más sencillo. En este caso, las caras exteriores de los dientes coinciden con las superficies iniciales en las que se mecanizan: la del cilindro en el que se inscribe el tornillo, y la de la banda exterior del disco en el que se talla el engranaje. Es decir, son superficies regladas, con sección recta según la dirección de las generatrices del cilindro y del disco.
Con
una
garganta.-
En
una
operación
adicional, se talla un surco de perfil circular en la cara exterior de los dientes del engranaje (parecido a la garganta con la que se diseñan las poleas para hacer encajar la sección de la cuerda en el perfil del disco). Con esta disposición, los dientes del engranaje se hacen encajar en el diámetro interior de la hélice tallada en el tornillo, mejorando el contacto entre las dos piezas.
De doble garganta.- Como en el caso anterior, se dispone una garganta en los dientes del engranaje, y además se adapta el contorno del tornillo al del engranaje con el que encaja, adoptando la característica forma de "reloj de arena" (el diámetro del tornillo y el tamaño de sus dientes aumenta desde el centro a los extremos), de forma que se incrementa notablemente la superficie de contacto entre las dos piezas dentadas. Este tipo de mecanismo es de fabricación más compleja, aunque tiene la ventaja de poder soportar cargas mecánicas más altas. Por su especial geometría, también se denominan "tornillos globulares" o envolventes.
En máquinas de alto rendimiento se ha generalizado el uso del sin fin de "doble garganta". Los otros dos tipos se utilizan en la fabricación de dispositivos más sencillos y de menor coste.
153
Aplicaciones El sin fin es un medio compacto para reducir la velocidad y aumentar el par de giro especialmente en motores eléctricos pequeños, que generalmente son de alta velocidad y de bajo par. La adición de un sin fin aumenta notablemente sus posibilidades de aplicación. Tornillos sin fin se utilizan en prensas, laminadores, cadenas de montaje, maquinaria en industrias de explotación minera, en timones de barco y en sierras circulares. Además, en fresadoras y máquinas herramienta sirven para ubicar los útiles de corte en la zona de trabajo con alta precisión, utilizando sistemas de doble tornillo con tolerancias estrictas. También se utilizan en los mecanismos de control de muchos tipos de ascensores y de escaleras mecánicas, debido a su tamaño compacto y a la no reversibilidad del movimiento.
154
Anexo A.4 Acople flexible Los acoplamientos tienen por función prolongar líneas de transmisión de ejes o conectar tramos de diferentes ejes, estén o no alineados entre sí. El propósito fundamental de los acoplamientos flexibles es transmitir el par de torsión requerido desde el eje impulso al impulsado y compensar el des alineamiento angular, paralelo o una combinación de ambos, con numerosas funciones
complementarias
como
proporcionar desplazamiento axial y así mismo restringido. Los
acoplamientos
flexibles
son
diseñados de tal manera que sean capaces de transmitir torque con suavidad, en tanto permiten ciertas desalineaciones axiales, radiales o angulares, como se muestra en la figura. Debido a los errores dimensionales inherentes a todo montaje mecánico, los ejes correspondientes a los árboles a unir mantendrán entre sí unas diferencias posicionales o “desalineaciones” que dificultan la transmisión del movimiento. En todos los casos el sistema de acoplamiento utilizado para la transmisión deberá ser capaz de absorberlas, evitando los efectos nocivos de cargas sobre los ejes, rodamientos, apoyos y bastidores. Las desalineaciones también provocan fatiga o desgaste en el acoplamiento, por tanto, al escogerlo deberá tenerse en cuenta la velocidad de rotación, minorando los des alineamientos máximos admisibles. 155
A continuación, se muestra unos diseños de acoples flexibles.
156
Anexo A.5 Reductor de velocidad Toda máquina cuyo movimiento sea generado por un motor (ya sea eléctrico, de explosión u otro) necesita que la velocidad de dicho motor se adapte a la velocidad necesaria para el buen funcionamiento de la máquina. Además de esta adaptación de velocidad, se deben contemplar otros factores como la potencia mecánica a transmitir, la potencia térmica, rendimientos mecánicos (estáticos y dinámicos). Esta adaptación se realiza generalmente con uno o varios pares de engranajes que adaptan la velocidad y potencia mecánica montados en un cuerpo compacto denominado reductor de velocidad aunque en algunos países hispano parlantes también se le denomina caja reductora. Tipo de reductores de velocidad Los reductores de velocidad se suelen clasificar de un modo bastante anárquico, solapándose en algunos casos las definiciones de modo intrínseco y en otros casos hay que usar diversas clasificaciones para definirlos. Clasificación por tipo de engranajes Los reductores se pueden clasificar por la tipología de sus engranajes, las clasificaciones más usuales son: Sin fin-Corona, engranajes y planetarios. Reductores de velocidad de Sin fin-Corona Es quizás el tipo de reductor de velocidad más sencillo, se compone de una corona dentada, normalmente de bronce en cuyo centro se ha embutido un eje de acero (eje lento), esta corona está en contacto permanente con un husillo de acero en forma de tornillo sinfin. Una vuelta del tornillo sin fin provoca el avance de un diente de la corona y en consecuencia la reducción de velocidad. La reducción de velocidad de una corona sin fin se calcula con el producto del número de dientes de la corona por el número de entradas del tornillo sin fin. 157
Reductores de velocidad de engranajes Los reductores de engranajes son aquellos en que toda la transmisión mecánica se realiza por pares de engranajes de cualquier tipo excepto los basados en tornillo sin fin. Sus ventajas son el mayor rendimiento energético, menor mantenimiento y menor tamaño. Reductores Cicloidales El sistema de reducción de velocidad de Cicloidal se basa en un principio ingeniosamente simple. El reductor de velocidad sólo tiene tres partes móviles: El eje de entrada de alta velocidad con una leva excéntrica integral y un conjunto de cojinete de rodillo; El disco cicloidal y el conjunto del eje de salida de baja velocidad. La acción de rodamiento progresiva y pareja de los discos cicloidales eliminan la fricción y los puntos de presión de los engranajes convencionales. Todos los componentes que transmiten el par de torsión de Cicloidal ruedan y están dispuestos en forma simétrica alrededor del eje para una operación equilibrada. Reductores de velocidad Planetarios Son reductores de engranaje con la particularidad de que no están compuestos de pares, sino de una disposición algo distinta; y sirven para diferentes tipos de variaciones de velocidad. Hay dos tipos de engranajes planetarios para reducir la velocidad de la hélice con respecto a la del cigüeñal. Un sistema tiene el engranaje principal fijado rígidamente a la sección delantera del motor, y una corona interna es impulsada por el cigüeñal. El piñón está unido al eje de lo que quiere mover, y montado en ella y son una serie de piñones que cuando el cigüeñal gira, los piñones giran en torno al principal fijo, en compañía de la hélice en la misma dirección, pero a una velocidad reducida. 158
Este tipo de engrane mantiene el sentido de la velocidad angular. El tallado de estos engranajes se realiza mediante talladoras mortajadoras de generación. Clasificación por disposición de los ejes lento y rápido Los reductores se pueden clasificar por la posición relativa del eje lento del reductor con respecto al eje rápido del mismo, las clasificaciones mas usuales son; paralelos, ortogonales y coaxiales. Clasificación por sistema de fijación Los reductores se pueden clasificar por sus sistema de fijación, fijo o pendular. Características de los reductores de velocidad La fabricación o selección de un reductor de velocidad es algo sumamente complejo en algunas ocasiones dada la gran cantidad de parámetros a tener en cuenta. Los principales son: El par motor,
=
, es la potencia que puede transmitir un motor en cada giro .
También llamado "Torque" Par nominal Es el par transmisible por el reductor de velocidad con una carga uniforme y continua; está íntimamente relacionado con la velocidad de entrada y la velocidad de salida. Su unidad en el SI es el N m (newton metro). Par resistente Representa el par requerido para el correcto funcionamiento de la máquina a la que el reductor de velocidad va a ser acoplado. Su unidad en el SI es el N m.
159
Par de cálculo Es el producto del par resistente y el factor de servicio requerido por la máquina a la que el reductor de velocidad va a ser acoplado. Su unidad en el SI es el N m. Potencia Expresada normalmente en kW (kilovatios) la potencia eléctrica es considerada en dos niveles distintos: la potencia eléctrica aplicada y la potencia útil; esta última es el producto de la potencia aplicada al ser multiplicado por cada uno de los rendimientos de cada par de engranajes del reductor de velocidad. Potencia térmica Los rendimientos de los trenes de engranajes tienen una pérdida de potencia en forma de calor que tiene que ser disipada por el cuerpo de los reductores de velocidad. Puede ocurrir que la potencia transmisible mecánicamente provoque un calor en el reductor de velocidad a unos niveles que impiden su funcionamiento normal. La potencia térmica, expresada en kW, indica la potencia eléctrica aplicada en el eje rápido del reductor de velocidad que este es capaz de transmitir sin limitación térmica. Su unidad en el SI es PWt Los reductores de velocidad son aquellos componentes de una máquina que mediante rozamiento consiguen reducir la velocidad de dicha maquina o vehículo
160
Anexo A.6 Sensores Un sensor es un dispositivo que, a partir de la energía del medio donde se mide, da una señal de salida traducible que es función de la variable medida. El número de sensores disponibles para las distintas magnitudes físicas es tan elevado que no se puede proceder racionalmente a su estudio sin clasificarlos previamente de acuerdo con algún criterio. Clasificación de los sensores Hay diversos criterios adicionales a los que se expondrán aquí.
Según el aporte de energía, los sensores se pueden dividir en moduladores y generadores. En los sensores moduladores o activos, la energía de la señal de salida procede, en su mayor parte, de una fuente de energía auxiliar. La entrada sólo controla la salida. En los sensores generadores o pasivos, en cambio, la energía de salida es suministrada por la entrada.
Según la señal de salida, los sensores se clasifican en analógicos o digitales. En los analógicos la salida varía, a nivel macroscópico, de forma continua.
La
información está en la amplitud, si bien se suelen incluir en este grupo los sensores con salida en el dominio temporal. Si es en forma de frecuencia, se denominan, a veces, casi digitales, por la facilidad con que se puede convertir en una salida digital.
Atendiendo al modo de funcionamiento, los sensores pueden ser de deflexión o de comparación. En los sensores que funcionan por deflexión, la magnitud medida produce algún efecto físico, que engendra algún efecto similar, pero opuesto, en alguna parte del instrumento, y que está relacionado con alguna variable útil. En los sensores que funcionan por comparación, se intenta mantener nula la deflexión mediante la aplicación de un efecto bien conocido, opuesto al generado por la magnitud a medir.
161
Criterio Aporte de Energía
Clases Moduladores Generadores Señal de Salida Analógico Digitales Modo de Operación De deflexión De comparación
Ejemplos Termistor Termopar Potenciómetro Codificador de posición Acelerómetro de deflexión Servo-acelerómetro
Desde el punto de vista de la ingeniería electrónica es más atractiva la clasificación de los sensores de acuerdo con el parámetro variable: resistencias, capacidad, inductancia, añadiendo luego los sensores generadores de tensión, carga o corriente, y otros tipos no incluidos en los anteriores grupos.
162
Sensores Resistivos
Capacitivos Inductivos y electroMagnéticos Generadores
Posición Distancia Desplazamiento Potenció-metros Galgas Magnetoresistencias Condensadordiferencial
Velocidad
Codificadores incrementales y absolutos
Uniones p-n
Fotoeléctricos
Ultrasonidos Reflexión
Magnitudes Presión Potenciómetros + tubos Bourbon Condensador variable + diafragma
LVDT Corrientes Fou- Ley Faraday Coult LVT Resolver Inductosyn Efecto Hall Efecto Hall Corrientes Faucault
Digitales
Aceleración Temperatura Vibración Galgas RTD + masa-resorte Termistores
Codificadores incrementales
Caudal Flujo Anemómetros de hilos caliente Galgas + voladizo Termistores
Fuerza
Potenció-metro Galgas + flotador Termistores LDR Condensador Galgas variable capacitivas
LVDT + masa-resorte
LVDT + diafragma LVDT + rotámetro LVDT + Flotador MagnetoReluctancia variable + Ley Faraday Corrientes elástico LVDT + diafragma Faucault célula carga
Piezo– Termopares eléctricos + piroeléctricos masas resorte Osciladores de cuarzo
Piezoeléctricos Codificador + tubo Bourdon
Humedad Humistor
Dieléctrico variable
Piezo-eléctricos Vórtices
Diodo transistor convertidores T/I Efecto Doppler
Nivel
SAW
Fotoeléctricos Efecto Dopper Tiempo transito Vórtices
Reflexión absorción
Sensores y métodos de detección ordinarios para las magnitudes más frecuentes
163
Sensores Resistivos Los sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica de un dispositivo son probablemente los más abundantes. Ello se debe a que son muchas las magnitudes físicas que afectan al valor de la resistencia eléctrica de un material. En consecuencia, ofrecen una solución válida para numerosos
problemas de medida. En el caso de los resistores
variables con la temperatura, ofrecen también un método
de compensación
térmica
aplicable en los sistemas de medida de otras magnitudes. Potenciómetro Los sensores resistivos son los que aprovechan los cambios de resistencia en su material para medir la señal asociada. Este tipo de sensores basados en la variación de la resistencia eléctrica son muy usados ya que son muchas propiedades físicas que la afectan, pudiendo clasificarse en mecánicas, térmicas, ópticas y químicas. Un potenciómetro es una resistencia variable cuyo valor desplazamiento
de
se determina
por el
un contacto móvil deslizante o giratorio. Este desplazamiento, se
convierte en una diferencia de potencial, de donde se vuelve un sensor muy usado. El diagrama eléctrico equivalente es muy similar al de la resistencia, solamente que tiene un indicador del contacto móvil, llamado también cursor.
Estas diferencias de potencial (V1-V2) se pueden asociar a un modelo de dos resistencias en serie.
164
Una aplicación de sensores resistivos son los detectores de temperatura basados en la variación de resistencias eléctricas de sus materiales y son denominados como RTD (Resistance Temperature Detectors). La resistencia nominal de un termistor se elige fundamentalmente con base al alcance de temperatura de operación. Interruptores Los interruptores pueden ser un tipo especial de sensores ya que, aunque no modifican las propiedades físicas de sus componentes, sirven para detectar diferentes estados de fenómenos u objetos que se quieran medir. La construcción de los interruptores ofrece una gama de posibilidades para detectar movimientos, posiciones y frecuencias de comportamiento de estos objetos. Los interruptores mecánicos o electromecánicos de los relevadores, tienen uno o varios pares de contactos que transmiten estos estados al circuito al que están conectados. Este comportamiento permite o no el paso de una señal eléctrica de CC o CA y también se puede traducir como señales de 1's y 0's, esta última condición muy utilizada en los sistemas con enfoque digital, es decir, sistemas que permiten dos estados. Los interruptores mecánicos se especifican en función del número de polos y tiros con que están fabricados. Los polos son el número de interruptores que funcionan a la vez en cada posición y los tiros son el número de contactos por posición. En aplicaciones electrónicas, uno de los problemas que se presenta con el uso de interruptores mecánicos es el rebote físico de sus contactos.
Este rebote puede ser
interpretado por la electrónica del circuito en el que está conectado como una señal diferente, por lo que
hay que tomarlo en cuenta y hacer los ajustes necesarios. Algunas
medidas pueden ser el retardo en la lectura de la señal, el uso de circuitos de memoria adicionales o el uso de circuitos tipo Schmitt triggers.
165
Tipos de interruptores mecánicos.
Sensor de lengüeta.
Funcionamiento de una célula solar fotovoltaica Básicamente, una célula solar comprende una juntura PN en el cual la energía luminosa (fotones) hace que los electrones y huecos se recombinen, lo que genera una corriente eléctrica, debido a que las características de una unión PN son similares a las de un diodo. El circuito eléctrico mostrado en la Figura 1 se utiliza a menudo como un modelo simplificado de las características de la célula solar.
166
Figura 1: Modelo simplificado del circuito de una célula solar.
La fuente de corriente IPH genera una corriente medianamente proporcional a la cantidad de luz que recae sobre la célula. Sin carga conectada, casi todos los flujos de corriente generados a través del diodo D, traspasan la tensión de la célula solar, que determina la tensión en circuito abierto (VOC). Esta tensión varía un poco con las propiedades exactas de cada tipo de célula solar. Pero para la mayoría de células de silicio, está en el rango entre 0,6V y 0.5V, que es el desarrollo normal de tensión de un diodo de unión PN. La resistencia en paralelo (Rpm) representa una pequeña corriente de fuga que se produce en la práctica en las células, mientras que (Rs) representa las pérdidas por conexión. Como la corriente de carga aumenta, más que la corriente generada por la célula solar, ésta se desvía fuera del diodo hacia la carga. Para la mayoría de los valores de corriente de carga, el efecto sobre la tensión de salida se considera despreciable. La Figura 2, muestra las características de salida de una célula solar. Existe un pequeño cambio debido a las características de corriente y voltaje del diodo. También hay una pequeña caída de tensión debido a la resistencia en serie (Rs) pero la tensión de salida sigue siendo en gran parte constante. Sin embargo, en algún punto la corriente que fluye por el interior del diodo se vuelve tan pequeña que resulta insuficiente, y el voltaje disminuye rápidamente al aumentar la corriente de carga. Finalmente, cuando todos los flujos de la corriente generada fluyen a través de la carga y no a través del diodo, la tensión de salida es cero. Esta corriente es conocida como la corriente de cortocircuito (ISC) de la célula solar. Junto con el VOC, es uno de los principales parámetros que definen su rendimiento operativo. Por lo tanto, la célula solar se considera como una fuente de energía de corriente limitada. La Figura muestra que, cuando la corriente de salida aumenta, disminuye el voltaje de salida hasta que finalmente se reduce a cero, entonces la carga llega a su corriente de cortocircuito.
167
Relación voltaje corriente características de las células solares.
En la mayoría de las aplicaciones, es conveniente obtener la mayor cantidad posible de energía de la célula solar. Puesto que la producción de energía es el producto de voltaje y corriente de salida, es necesario determinar qué parte de la región de la curva del grafico entregará el valor máximo del producto de voltaje y corriente de salida, como la relación V/I es altamente no lineal, se debe poner atención en el punto de máxima potencia MPP (Maximum Power Point). Observando la Figura 3 se tiene; en un extremo, la tensión de salida se encuentra en su valor máximo (VOC), pero la producción actual es cero. En el otro extremo, la corriente de salida se encuentra en su valor máximo (ISC), pero la tensión de salida es cero. En ambos casos, el producto de salida de voltaje y corriente es igual a cero. Por lo tanto, el MPP debe recaer en algún punto entre los dos extremos. Se puede demostrar experimentalmente que, para cualquier aplicación, el MPP se encuentra en algún lugar de la curva de producción característica de la célula solar (Ver Figura). El problema es que en la práctica la ubicación exacta del MPP de una célula solar varía con la luz y la temperatura ambiente. Para maximizar la generación de energía solar, los sistemas diseñados deben considerar la dinámica a escala de la célula solar de manera que se opere en o cerca del MPP en virtud de las condiciones reales de funcionamiento.
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Curva característica del producto (V)(I) de una célula solar fotovoltaica.
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Anexo A.7 Fundamentos básicos sobre control automático El control automático es una pieza clave que ha contribuido con el desarrollo de la sociedad, siendo una parte integral en las áreas industriales como petróleo y gas, generación de energía eléctrica, textil, alimentaria, automovilística, entre otros, mediante el control de los diversos mecanismos que regulan las variables inherentes al producto final. Dichas variables son la presión, temperatura, humedad, viscosidad, flujo entre muchas otras. Es importante tener conocimiento acerca de la teoría y práctica del control automático ya que es un mecanismo capaz de abaratar el costo final del producto y mejorar su calidad mediante la agilización de procesos manuales. Se puede definir el sistema de control como un conjunto de dispositivos interconectados entre si capaces de regular su conducta o la de otros sistemas para obtener los resultados deseados. Historia de la ingeniería de control Las primeras aplicaciones del control con realimentación datan del siglo 1 D.C cuando Herón de Alejandría publicara un libro titulado “Pneumatica” en el que se mostraban mecanismos reguladores de agua; esta área renace en el siglo XIX en Europa con Cornelius Drebel1618 quien diseño el primer regulador de temperatura; Luego en 1620 Denis Papín crea un regulador presión para calderas de vapor. El primer regulador a utilizarse a nivel industrial y punto de partida de esta ciencia fue el regulador centrífugo de James Watt desarrollado en 1770 para controlar la velocidad de una máquina de vapor, pero este era propenso a las oscilaciones siendo objeto de muchas investigaciones. En 1868 J.C. Maxwell público “On Governors” articulo donde propuso la solución al problema de los reguladores centrífugos, utilizando una ecuación diferencial y analizando las condiciones de un sistema de estabilidad.
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En 1893 Oliver Heaviside público un trabajo titulado “On operators in mathematical physics” desarrollando teorías del cálculo operacional y permitió analizar la ecuación diferencial lineal como una ecuación algebraica; técnica que fue justificada en 1917 por Carson y Bromwich quienes vieron que las ideas de Heaviside se fomentaban en los trabajos de Laplace siendo denominado este método “Transformada de Laplace”. Durante la II Guerra Mundial fue necesario diseñar y construir pilotos automáticos para aeroplanos, sistemas de dirección y antenas de radar. Fomentando el interés en los sistemas de control y el desarrollo de nuevos métodos e ideas. No obstante, el desarrollo de esta ciencia fue unido con el desarrollo de la electrónica. Antes de 1940, el diseño era un arte comprendida en el procedimiento ensayo y error, incrementando en 1950 el número y utilidad de los métodos matemáticos y analíticos, llegando a ser una disciplina completa siendo posible la utilización de los ordenadores analógicos y digitales como componentes de control en proporcionando capacidad de calcular con rapidez y exactitud que no existían antes para un ingeniero de control. La teoría de control sigue incorporando métodos que se aplican a nuevas ramas del saber “Ingeniería de Sistemas y la Robótica Industrial” por ello está interesada en el análisis y diseño de sistemas dirigidos hacia un objetivo. Dando lugar a la mecanización de planes de acción de control con cualidades de auto organización, adaptación y aprendizaje. Componentes básicos de un sistema de control Los componentes básicos de un sistema de control son: objetivos de control, componentes del sistema de control y resultados o salida. El objetivo de un sistema de control es controlar las salidas en alguna forma preestablecida mediante las entradas a través de los elementos del sistema de control. Un sistema de control de lazo abierto consta de 2 partes: el controlador y el proceso controlado. Son utilizados mayormente en aplicaciones no críticas.
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Un sistema de control de lazo cerrado consta de 4 partes: detector de error, el controlador, el proceso controlado y el transductor. Con este sistema se obtiene un comportamiento totalmente automático por medio de la realimentación ya que no precisa de la intervención humana, aunque puede provocar inestabilidad.
En estos sistemas existe la realimentación negativa (aquella en la que la señal muestreada en la salida se resta o compara con la de entrada) y la realimentación positiva en la que la señal realimentada se suma a la de entrada. La realimentación puede incrementar la ganancia del sistema en un intervalo de frecuencias, pero reducirla en otro. La estabilidad es una noción que describe si un sistema es capaz de seguir el comando de entrada, o en general, si dicho sistema es útil. En forma rigurosa, un sistema se dice inestable si sus salidas salen de control. Con la realimentación se puede estabilizar un sistema inicialmente inestable o puede ser perjudicial sino se aplica adecuadamente. La sensibilidad de un sistema puede ser mejorada o perjudicada mediante la realimentación. Mediante esta se puede también variar el ancho de banda, las impedancias de entrada y salida de un sistema. 172
Tipos de sistemas de control Los sistemas de control se pueden clasificar de distintas maneras de acuerdo al criterio usado. Entre ellos tenemos: Lazo abierto y lazo cerrado En los sistemas de control en lazo abierto, la salida no tiene efecto alguno sobre la acción de control. Presentan ciertas ventajas con respecto a los de lazo cerrado como, por ejemplo, su montaje y mantenimiento son más simples, además de que son más económicos con respecto al anterior. En los sistemas de control en lazo cerrado, la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. Presentan ciertas ventajas con respecto a los de lazo abierto tales como, mayor exactitud, son poco sensible a las fluctuaciones en los componentes y son más rápidos en la respuesta y anchura de banda. Control continuo y control discreto Si las señales que procesa el sistema están definidas en un intervalo continuo de tiempo (aunque no necesariamente sean funciones continuas en el tiempo) el sistema se denomina sistema en tiempo continuo. Un sistema en tiempo discreto viene caracterizado por magnitudes que varían solo en instantes específicos de tiempo. Sistemas lineales y no lineales Son sistemas ideales. No existen sistemas lineales estrictamente hablando, sino sistemas que exhiben una característica lineal por lo tanto se les puede aplicar el principio de superposición, también son susceptible a diversas técnicas analíticas y gráficas para su diseño y análisis. Mientras que los sistemas no lineales son más complejos con respecto a su parte matemática y no existen técnicas generales para resolverlos, sino que se parte de técnicas lineales para obtener un resultado. 173
Sistemas variantes e invariantes con el tiempo Un sistema es invariante en el tiempo cuando sus parámetros de sistema de control son estáticos con el tiempo durante la operación del sistema, mientras que en sistema variante dichos parámetros de control fluctúan. En la práctica todos los sistemas son variantes en el tiempo.
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Anexo A.8 Introducción a Proteus Proteus es un entorno integrado de diseño asistido por computadora (CAD) dirigido a la electrónica, desarrollado por Labcenter Electronics, para la realización completa de proyectos de construcción de equipos electrónicos en todas sus etapas: diseño, simulación, depuración y construcción. Proteus está conformado por entornos como:
ISIS (Intelligent Schematic Input System).- Sistema de Enrutado de Esquemas Inteligente; permite diseñar el plano eléctrico del circuito que se desea realizar con componentes muy variados, desde simples resistencias, hasta alguno que otro microprocesador o microcontrolador, incluyendo fuentes de alimentación, generadores de señales y muchos otros componentes con prestaciones diferentes. Los diseños realizados en Isis pueden ser simulados en tiempo real, mediante el módulo VSM, asociado directamente con ISIS.
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ARES (Advanced Routing and Editing Software).- Software de Edición y Ruteo Avanzado; es la herramienta de enrutado, ubicación y edición de componentes, se utiliza para la fabricación de placas de circuito impreso, permitiendo editar generalmente, las capas superficial (Top Copper), y de soldadura (Bottom Copper).
Dos prestaciones de Proteus, integradas con ISIS, son: ProSPICE; es la versión SPICE, incluida en PROTEUS, desarrollada en la universidad de Berkeley, con extensiones para 176
simulación analógica y digital conjuntas y la animación de circuitos (simulación del circuito electrónico) y VSM (Virtual System Modeling); Sistema Virtual de Modelado, con el cual se puede simular, en tiempo real, con posibilidad de más rapidez; todas las características de varias familias de microcontroladores, introduciendo nosotros mismos el programa que controlará el microcontrolador y cada una de sus salidas, y a la vez, simulando las tareas que queramos que lleve a cabo con el programa (simulación de la lógica del programa cargado en el microprocesador).
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Anexo A.9 Introducción a MatLab y resumen de los comandos más importantes de MatLab en sistemas de control MATLAB (abreviatura de MATrix LABoratory, "laboratorio de matrices") es una herramienta de software matemático que ofrece un entorno de desarrollo integrado (IDE) con un lenguaje de programación propio (lenguaje M). Entre sus prestaciones básicas se hallan: la manipulación de matrices, la representación de datos y funciones, la implementación de algoritmos, la creación de interfaces de usuario (GUI) y la comunicación con programas en otros lenguajes y con otros dispositivos hardware. El paquete MATLAB dispone de dos herramientas adicionales que expanden sus prestaciones, a saber, Simulink (plataforma de simulación multidominio) y GUIDE (editor de interfaces de usuario - GUI). Además, se pueden ampliar las capacidades de MATLAB con las cajas de herramientas (toolboxes); y las de Simulink con los paquetes de bloques (blocksets). Es un software muy usado en universidades y centros de investigación y desarrollo. En los últimos años ha aumentado el número de prestaciones, como la de programar directamente procesadores digitales de señal o crear código VHDL. Las aplicaciones de MATLAB se desarrollan en un lenguaje de programación propio. Este lenguaje es interpretado, y puede ejecutarse tanto en el entorno interactivo, como a través de un archivo de script (archivos *.m). Este lenguaje permite operaciones de vectores y matrices, funciones, cálculo lambda, y programación orientada a objetos. Características
Lenguaje.- Las aplicaciones de MATLAB se desarrollan en un lenguaje de programación propio. Este lenguaje es interpretado, y puede ejecutarse tanto en el entorno interactivo, como a través de un archivo de script (archivos *.m). Este
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lenguaje permite operaciones de vectores y matrices, funciones, cálculo lambda, y programación orientada a objetos.
Gráficos e interfaces gráficas.- MATLAB provee funciones para visualizar datos en 2D y 3D.
Simulink.- Es un módulo que permite la simulación de sistemas dinámicos a través de una interfaz basada en bloques.
Toolboxes.- Las funcionalidades de Matlab se agrupan en más de 35 toolboxes (cajas de herramientas) y paquetes de bloques (para Simulink).
Sistemas de control en MatLab La modelización de los sistemas de control matemáticamente se hace en muchos casos muy complicada y la única manera de hacerla interactiva es mediante gráficos en 2D. Con la capacidad de procesamiento de las computadoras nace la forma más exacta, rápida e interactiva de simular sistemas de control, que se logra mediante programas de simulación. El paquete matemático MATLAB posee un módulo de simulación denominado Simulink. Este módulo es una herramienta muy potente para este objetivo. Resumen de comandos de MatLab para sistemas de control Normalmente, en la nomenclatura usada en este paquete de control, los comandos referentes a tiempo discreto que posean un equivalente para tiempo continuo, se denominan igual que estos, pero precedidos de una d. Por ejemplo: step y dstep.
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ANEXO B INGENIERIA DEL PROYECTO
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Anexo B.1 Cálculo de parámetros astronómicos de posicionamiento con relación al Sol para la ciudad de Sucre.
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dn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Γ rad 0,000 0,017 0,034 0,052 0,069 0,086 0,103 0,120 0,138 0,155 0,172 0,189 0,207 0,224 0,241 0,258 0,275 0,293 0,310 0,327 0,344 0,361 0,379 0,396 0,413
δ
ρ2 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,966 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,968 0,968 0,968 0,968 0,968 0,969
rad -0,402 -0,401 -0,400 -0,398 -0,396 -0,394 -0,392 -0,390 -0,388 -0,385 -0,383 -0,380 -0,377 -0,374 -0,371 -0,368 -0,365 -0,361 -0,358 -0,354 -0,351 -0,347 -0,343 -0,339 -0,335
grad -23,06 -22,98 -22,89 -22,80 -22,70 -22,59 -22,47 -22,35 -22,21 -22,07 -21,93 -21,77 -21,61 -21,45 -21,27 -21,09 -20,90 -20,71 -20,51 -20,30 -20,09 -19,87 -19,64 -19,41 -19,17
Et min -2,904 -3,098 -3,288 -3,474 -3,654 -3,830 -3,999 -4,163 -4,321 -4,473 -4,618 -4,756 -4,886 -5,009 -5,124 -5,232 -5,331 -5,421 -5,503 -5,576 -5,640 -5,694 -5,739 -5,775 -5,801
θz(ω=0) rad 0,070 0,069 0,067 0,066 0,064 0,062 0,060 0,058 0,055 0,053 0,050 0,048 0,045 0,042 0,039 0,036 0,032 0,029 0,026 0,022 0,018 0,014 0,010 0,006 0,002
grad 4,02 3,94 3,85 3,75 3,65 3,54 3,43 3,30 3,17 3,03 2,89 2,73 2,57 2,40 2,23 2,05 1,86 1,67 1,46 1,26 1,04 0,82 0,60 0,36 0,12
ωs(θz=π/2) rad 1,718 1,718 1,717 1,716 1,716 1,715 1,714 1,713 1,712 1,711 1,710 1,709 1,708 1,707 1,706 1,704 1,703 1,702 1,700 1,699 1,697 1,696 1,694 1,693 1,691
grad 98,45 98,42 98,38 98,34 98,30 98,26 98,21 98,16 98,10 98,05 97,99 97,93 97,86 97,79 97,72 97,65 97,58 97,50 97,42 97,34 97,25 97,16 97,08 96,98 96,89
α rad 1,501 1,502 1,504 1,505 1,507 1,509 1,511 1,513 1,515 1,518 1,520 1,523 1,526 1,529 1,532 1,535 1,538 1,542 1,545 1,549 1,553 1,556 1,560 1,564 1,569
grad 85,98 86,06 86,15 86,25 86,35 86,46 86,57 86,70 86,83 86,97 87,11 87,27 87,43 87,60 87,77 87,95 88,14 88,33 88,54 88,74 88,96 89,18 89,40 89,64 89,88
ψ(α=0) rad grad 1,998 114,48 1,997 114,39 1,995 114,30 1,993 114,20 1,991 114,09 1,989 113,97 1,987 113,85 1,985 113,72 1,982 113,57 1,980 113,43 1,977 113,27 1,974 113,11 1,971 112,93 1,968 112,76 1,965 112,57 1,961 112,38 1,958 112,18 1,954 111,97 1,950 111,75 1,947 111,53 1,943 111,30 1,939 111,07 1,934 110,83 1,930 110,58 1,926 110,32
Nd h 13,127 13,122 13,117 13,112 13,107 13,101 13,094 13,088 13,080 13,073 13,065 13,057 13,048 13,039 13,030 13,020 13,010 13,000 12,989 12,978 12,967 12,955 12,943 12,931 12,919
185
26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53
26 27 28 29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
0,430 0,448 0,465 0,482 0,499 0,516 0,534 0,551 0,568 0,585 0,602 0,620 0,637 0,654 0,671 0,689 0,706 0,723 0,740 0,757 0,775 0,792 0,809 0,826 0,843 0,861 0,878 0,895
0,969 0,969 0,969 0,969 0,970 0,970 0,970 0,971 0,971 0,971 0,971 0,972 0,972 0,972 0,973 0,973 0,974 0,974 0,974 0,975 0,975 0,975 0,976 0,976 0,977 0,977 0,978 0,978
-0,330 -0,326 -0,321 -0,317 -0,312 -0,307 -0,303 -0,298 -0,293 -0,287 -0,282 -0,277 -0,272 -0,266 -0,261 -0,255 -0,249 -0,244 -0,238 -0,232 -0,226 -0,220 -0,214 -0,208 -0,202 -0,196 -0,189 -0,183
-18,92 -18,67 -18,42 -18,15 -17,89 -17,61 -17,34 -17,05 -16,76 -16,47 -16,17 -15,87 -15,56 -15,25 -14,93 -14,61 -14,29 -13,96 -13,63 -13,29 -12,95 -12,61 -12,26 -11,91 -11,56 -11,20 -10,84 -10,48
-5,817 -5,822 -5,818 -5,804 -5,779 -5,744 -5,699 -5,643 -5,577 -5,500 -5,413 -5,316 -5,208 -5,089 -4,961 -4,822 -4,672 -4,513 -4,344 -4,165 -3,976 -3,778 -3,570 -3,353 -3,127 -2,892 -2,648 -2,396
0,002 0,006 0,011 0,016 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 0,045 0,050 0,055 0,061 0,066 0,072 0,077 0,083 0,089 0,095 0,100 0,106 0,112 0,118 0,124 0,131 0,137 0,143 0,149
0,12 0,37 0,63 0,89 1,16 1,43 1,71 1,99 2,28 2,57 2,87 3,17 3,48 3,79 4,11 4,43 4,75 5,08 5,41 5,75 6,09 6,43 6,78 7,13 7,48 7,84 8,20 8,56
1,689 1,688 1,686 1,684 1,682 1,681 1,679 1,677 1,675 1,673 1,671 1,669 1,667 1,665 1,663 1,661 1,659 1,657 1,655 1,652 1,650 1,648 1,646 1,644 1,641 1,639 1,637 1,635
96,80 96,70 96,60 96,50 96,40 96,29 96,19 96,08 95,97 95,86 95,74 95,63 95,52 95,40 95,28 95,16 95,04 94,92 94,80 94,68 94,55 94,43 94,30 94,18 94,05 93,92 93,79 93,66
1,569 1,564 1,560 1,555 1,551 1,546 1,541 1,536 1,531 1,526 1,521 1,515 1,510 1,505 1,499 1,493 1,488 1,482 1,476 1,470 1,464 1,458 1,452 1,446 1,440 1,434 1,428 1,421
89,88 89,63 89,37 89,11 88,84 88,57 88,29 88,01 87,72 87,43 87,13 86,83 86,52 86,21 85,89 85,57 85,25 84,92 84,59 84,25 83,91 83,57 83,22 82,87 82,52 82,16 81,80 81,44
1,921 1,916 1,912 1,907 1,902 1,897 1,891 1,886 1,881 1,875 1,870 1,864 1,859 1,853 1,847 1,841 1,835 1,829 1,823 1,816 1,810 1,804 1,797 1,791 1,784 1,778 1,771 1,764
110,06 109,80 109,52 109,24 108,96 108,67 108,37 108,07 107,77 107,45 107,14 106,81 106,49 106,16 105,82 105,48 105,14 104,79 104,43 104,08 103,72 103,35 102,98 102,61 102,24 101,86 101,48 101,10
12,906 12,893 12,880 12,866 12,853 12,839 12,825 12,810 12,796 12,781 12,766 12,751 12,736 12,720 12,704 12,688 12,672 12,656 12,640 12,624 12,607 12,590 12,574 12,557 12,540 12,523 12,505 12,488
186
54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81
23 24 25 26 27 28 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
0,912 0,930 0,947 0,964 0,981 0,998 1,016 1,033 1,050 1,067 1,084 1,102 1,119 1,136 1,153 1,171 1,188 1,205 1,222 1,239 1,257 1,274 1,291 1,308 1,325 1,343 1,360 1,377
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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
5,250 5,268 5,285 5,302 5,319 5,336 5,354 5,371 5,388 5,405 5,422 5,440 5,457 5,474 5,491 5,509 5,526 5,543 5,560 5,577 5,595 5,612 5,629 5,646 5,663 5,681 5,698 5,715
0,984 0,984 0,983 0,983 0,982 0,982 0,981 0,981 0,980 0,980 0,979 0,979 0,978 0,978 0,977 0,977 0,977 0,976 0,976 0,975 0,975 0,974 0,974 0,974 0,973 0,973 0,973 0,972
-0,253 -0,259 -0,264 -0,270 -0,275 -0,280 -0,286 -0,291 -0,296 -0,301 -0,305 -0,310 -0,315 -0,319 -0,324 -0,328 -0,333 -0,337 -0,341 -0,345 -0,349 -0,353 -0,356 -0,360 -0,363 -0,366 -0,370 -0,373
-14,51 -14,83 -15,14 -15,46 -15,76 -16,06 -16,36 -16,65 -16,94 -17,22 -17,50 -17,77 -18,04 -18,30 -18,56 -18,81 -19,06 -19,30 -19,53 -19,76 -19,98 -20,20 -20,41 -20,61 -20,81 -21,00 -21,18 -21,36
3,761 3,879 3,987 4,085 4,173 4,251 4,319 4,377 4,424 4,462 4,489 4,507 4,514 4,512 4,500 4,478 4,447 4,406 4,356 4,296 4,228 4,151 4,065 3,970 3,868 3,757 3,638 3,512
0,079 0,074 0,068 0,063 0,057 0,052 0,047 0,042 0,037 0,032 0,027 0,022 0,017 0,013 0,008 0,004 0,000 0,004 0,009 0,012 0,016 0,020 0,024 0,027 0,031 0,034 0,037 0,040
4,53 4,21 3,90 3,59 3,28 2,98 2,68 2,39 2,10 1,82 1,54 1,27 1,00 0,74 0,48 0,23 0,01 0,25 0,49 0,72 0,94 1,15 1,36 1,57 1,76 1,95 2,14 2,31
1,660 1,662 1,664 1,666 1,668 1,670 1,672 1,674 1,676 1,678 1,680 1,682 1,683 1,685 1,687 1,689 1,690 1,692 1,694 1,695 1,697 1,698 1,700 1,701 1,702 1,704 1,705 1,706
95,13 95,24 95,36 95,48 95,59 95,70 95,82 95,93 96,03 96,14 96,25 96,35 96,46 96,56 96,66 96,75 96,85 96,94 97,03 97,12 97,21 97,29 97,38 97,46 97,54 97,61 97,69 97,76
1,492 1,497 1,503 1,508 1,514 1,519 1,524 1,529 1,534 1,539 1,544 1,549 1,553 1,558 1,562 1,567 1,571 1,566 1,562 1,558 1,554 1,551 1,547 1,543 1,540 1,537 1,533 1,530
85,47 85,79 86,10 86,41 86,72 87,02 87,32 87,61 87,90 88,18 88,46 88,73 89,00 89,26 89,52 89,77 89,99 89,75 89,51 89,28 89,06 88,85 88,64 88,43 88,24 88,05 87,86 87,69
1,839 1,845 1,851 1,857 1,862 1,868 1,873 1,879 1,884 1,889 1,895 1,900 1,905 1,909 1,914 1,919 1,923 1,928 1,932 1,937 1,941 1,945 1,949 1,952 1,956 1,960 1,963 1,966
105,37 105,71 106,04 106,37 106,70 107,02 107,34 107,65 107,95 108,25 108,55 108,84 109,12 109,40 109,68 109,95 110,21 110,46 110,71 110,95 111,19 111,42 111,65 111,86 112,07 112,28 112,47 112,66
12,683 12,699 12,715 12,730 12,745 12,760 12,775 12,790 12,805 12,819 12,833 12,847 12,861 12,874 12,887 12,900 12,913 12,926 12,938 12,950 12,961 12,973 12,984 12,994 13,005 13,015 13,025 13,034
196
334 335 336 337 338 339 340 341 342 343 344 345 346 347 348 349 350 351 352 353 354 355 356 357 358 359 360 361
30 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27
5,732 5,750 5,767 5,784 5,801 5,818 5,836 5,853 5,870 5,887 5,904 5,922 5,939 5,956 5,973 5,991 6,008 6,025 6,042 6,059 6,077 6,094 6,111 6,128 6,145 6,163 6,180 6,197
0,972 0,972 0,971 0,971 0,971 0,970 0,970 0,970 0,970 0,969 0,969 0,969 0,969 0,968 0,968 0,968 0,968 0,968 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,967 0,966 0,966
-0,376 -0,379 -0,381 -0,384 -0,386 -0,389 -0,391 -0,393 -0,395 -0,397 -0,399 -0,400 -0,402 -0,403 -0,404 -0,405 -0,406 -0,407 -0,408 -0,408 -0,409 -0,409 -0,409 -0,409 -0,409 -0,408 -0,408 -0,407
-21,53 -21,69 -21,85 -22,00 -22,14 -22,27 -22,40 -22,52 -22,64 -22,74 -22,84 -22,93 -23,01 -23,09 -23,16 -23,22 -23,27 -23,32 -23,35 -23,38 -23,41 -23,42 -23,43 -23,42 -23,41 -23,40 -23,37 -23,34
3,379 3,238 3,091 2,937 2,777 2,611 2,439 2,262 2,080 1,893 1,702 1,506 1,307 1,105 0,899 0,691 0,481 0,268 0,054 -0,161 -0,377 -0,593 -0,810 -1,027 -1,243 -1,458 -1,671 -1,883
0,043 0,046 0,049 0,052 0,054 0,056 0,059 0,061 0,063 0,065 0,066 0,068 0,069 0,071 0,072 0,073 0,074 0,075 0,075 0,076 0,076 0,076 0,076 0,076 0,076 0,076 0,076 0,075
2,48 2,65 2,80 2,95 3,10 3,23 3,36 3,48 3,59 3,70 3,80 3,89 3,97 4,05 4,12 4,18 4,23 4,27 4,31 4,34 4,36 4,38 4,38 4,38 4,37 4,35 4,33 4,30
1,707 1,709 1,710 1,711 1,712 1,713 1,714 1,714 1,715 1,716 1,717 1,717 1,718 1,718 1,719 1,719 1,720 1,720 1,720 1,721 1,721 1,721 1,721 1,721 1,721 1,721 1,721 1,720
97,83 97,89 97,95 98,02 98,07 98,13 98,18 98,23 98,28 98,32 98,36 98,40 98,43 98,46 98,49 98,52 98,54 98,56 98,57 98,58 98,59 98,60 98,60 98,60 98,60 98,59 98,58 98,57
1,527 1,525 1,522 1,519 1,517 1,514 1,512 1,510 1,508 1,506 1,505 1,503 1,501 1,500 1,499 1,498 1,497 1,496 1,496 1,495 1,495 1,494 1,494 1,494 1,494 1,495 1,495 1,496
87,52 87,35 87,20 87,05 86,90 86,77 86,64 86,52 86,41 86,30 86,20 86,11 86,03 85,95 85,88 85,82 85,77 85,73 85,69 85,66 85,64 85,62 85,62 85,62 85,63 85,65 85,67 85,70
1,969 1,973 1,975 1,978 1,981 1,983 1,986 1,988 1,990 1,992 1,994 1,996 1,997 1,999 2,000 2,001 2,002 2,003 2,004 2,004 2,005 2,005 2,005 2,005 2,005 2,004 2,004 2,003
112,84 113,02 113,18 113,34 113,50 113,64 113,78 113,91 114,03 114,14 114,25 114,34 114,43 114,51 114,59 114,65 114,71 114,75 114,79 114,83 114,85 114,86 114,87 114,87 114,86 114,84 114,81 114,78
13,043 13,052 13,061 13,069 13,076 13,084 13,091 13,097 13,103 13,109 13,115 13,120 13,124 13,128 13,132 13,135 13,138 13,141 13,143 13,144 13,146 13,146 13,147 13,147 13,146 13,145 13,144 13,142
197
362 363 364 365
28 29 30 31
6,214 6,232 6,249 6,266
0,966 0,966 0,966 0,966
-0,407 -0,406 -0,405 -0,404
-23,30 -23,25 -23,19 -23,13
-2,093 -2,300 -2,505 -2,706
0,074 0,073 0,072 0,071
4,26 4,21 4,15 4,09
1,720 1,720 1,719 1,719
98,55 98,53 98,51 98,48
1,497 1,497 1,498 1,499
85,74 85,79 85,85 85,91
2,003 2,002 2,001 1,999
114,74 114,68 114,62 114,55
13,140 13,137 13,134 13,131
198
Anexo B.2 Planos de diseño mecánico La elaboración y presentación de los planos que a continuación se exponen, se ajustan a la normativa técnica ISO. Las mismas se realizaron con el software de diseño asistido por computadora (CAD) SOLIDWORKS.
199
798
1120
40
280
70
40
VISTA SUPERIOR
798
VISTA FRONTAL
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
PARRILLA Aluminio 20/05/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 10
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
8x 6.60 POR TODO
DETALLE A ESCALA 1 : 1
4 X 2,90 POR TODO
DETALLE B ESCALA 1 : 1
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
PARRILLA Aluminio 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 20
DIMENSIONES:
A4 Nº 2 mm
Barra de aluminio perfil cuadrado 40 x 40 x 4
C
C
SECCIÓN C-C ESCALA 1 : 20
DETALLE E ESCALA 1 : 1 Barra de aluminio perfil rectangular 70 x 40 x 4
DETALLE F ESCALA 1 : 1
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
PARRILLA Aluminio 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 20
DIMENSIONES:
A4 Nº 3 mm
4x A
80
7
11,50
4
22
23
50
3.10 POR TODO 6.30 X 90° 6.30 0.50
11,50
1,80 4
SECCIÓN A-A ESCALA 1 : 1
A
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
ARMAZÓN DE SENSADO Aluminio 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
4
R3
35
4
175,60
20
35
3,20
58
3,20
58
135,60
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
ABRAZADERA RECTANGULAR Acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
100 6 47
2x
143
150
7
47
4x
6
7
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
PLETINA DE SUJECIÓN DE PARRILLA Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
31 ,60
38
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA ESCALA 1: 5 VISTA FRONTAL ESCALA 1:1
38
450
3x 8 Por todo
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
ÁRBOL Acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA
66 5
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
37
5 56
42
46
42
CENTRAJE Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
7 35
8 Por todo
35
7
100
50
38 50
100
4x 6 Por todo
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
CUBOPLETINA DE ALOJAMIENTO Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
15,50
0
4,5
R3
R31
,50
30
2x 4 Por todo
3
31
3
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
ABRAZADERA Acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA
55
200
84
140
2x 4 Por todo
VISTA SUPERIOR TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
CABEZAL Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
5
157
56
6 R5 140
R5
VISTA LATERAL IZQUIERDA
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
VISTA FRONTAL
CABEZAL Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 2 mm
1, 60
60
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA ESCALA 1 : 2
25,30
10
1, 10
55
3
2
2
2,50
2
92,60
51
16
4,80
8 DETALLE A ESCALA 5 : 1
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
ARO DE ROTACIÓN Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
4
R4 8
,8
0
20
32,35
R52,05
3,20
4.80 POR TODO 9.40 X 90° 32,35
55
32,63
2
4
30,20
30,20
11,33
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
TAPA DE ARO DE ROTACIÓN Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
223,70
225,50
R60
120
343,70
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA VISTA SUPERIOR 66
17,75
33
°
15
30
8
84,50
4x 4 Por todo
6 6,1
5 VISTA FRONTAL
DETALLE C ESCALA 2 : 5
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
PLANCHA DE APOYO (Elevación) Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 5
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
0 12
55
4 5
A
7,50
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA ESCALA 1 : 5
50
259
7,50
A 1
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
SECCIÓN A-A ESCALA 1 : 2
1
CAPUCHA Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
120
212,50
R50,80
221,20
86
,1
84,50
30
33
17,74
66
4x 4 Por todo
TÍTULO:
DETALLE A ESCALA 2 : 5
MATERIAL: FECHA:
2°
15
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA
341,20
5
PLANCHA APOYO (AZIMUT) Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 5
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
30
R1 4 6
3x 3 Por todo
3 90
93
50
3
50
3
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
30
ANGULAR Acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
3
R52,03
4
32,35
6
98,84
4
3x 3 Por todo
104
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
3
98,84
PLETINA (POTENCIÓMETRO) Acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
26
59,50
82,50
R2
3
5
46
5
46
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
SOPORTE Acero inoxidable 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1:1
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
A
255,60 250
,35
4 24
117,60
0
23
129,60
Ángulo de presión
7,85 Paso circular
20°
DETALLE A ESCALA 2 : 1
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
RUEDA AZIMUT Acero templado 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
129,60
25
50
25
D
3,98°
Ángulo de hélice
DETALLE D ESCALA 2 : 1 TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
RUEDA AZIMUT Acero templado 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 2
DIMENSIONES:
A4 Nº 2 mm
25
4
12,50
101,60
300
1000 25
VISTA ISOMÉTRICA SOMBREADA ESCALA 1: 20
300
DETALLE A ESCALA 1 : 2
0
12,70
4
500
118,65 250
12,70
92,60
40
150
101,60
300
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
BASE Concreto - acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 10
DIMENSIONES:
A4 Nº 1 mm
25
4
4
DETALLE B ESCALA 1 : 1 4,50
250
12
,7
0
125
50,80
DETALLE C ESCALA 1 : 2
TÍTULO: MATERIAL: FECHA:
BASE Concreto - acero 20/07/16
AUTOR:
Ariel Valerio Durán Mora
ESCALA: 1: 10
DIMENSIONES:
A4 Nº 2 mm
ANEXO C HOJAS DE ESPECIFICACIONES
224
IXOLARTM High Efficiency SolarBIT. Description IXOLARTM SolarBITs are IXYS’ product line of SolarBITs made of monocrystalline, high efficiency solar cells. The IXOLARTM SolarBITs is an ideal for charging various battery powered and handheld consumer products such as mobile phones, cameras, PDAs, MP3-Players and toys. They are also suitable for industrial applications such as wireless sensors, portable instrumentation and for charging emergency backup batteries. With a cell efficiency of typically 22% measured at a wafer level, SolarBITs give the ability to extend run time even in "low light" conditions and increase battery life and run time in a small footprint, which can be easily accommodated in the design of Portable Products. The design allows connecting SolarBITs flexibly in series and/or parallel to perfectly meet the application’s power requirements. IXOLARTM products have a very good response over a wide wavelength range and therefore can be used in both indoor and outdoor applications. Product and Ordering Information (Package Level) Part Number
Open Circuit Voltage [V]
Short Circuit Current [mA]
Typ. Voltage @ Pmpp [V]
Typ. Current @ Pmpp [mA]
KXOB22-04X3L
1.89
15
1.50
13.38
(parameters given are typical values) Dimensions (L x W x H): 22 x 7 x 1.8 [mm] SolarBITs Weight: 0.5 grams SolarBITs are compliant to the RoHS Norm.
Features
Electrical Characteristics
• High efficiency outdoor and indoor
Symbol
Cell Parameter
• Monocrystalline silicon technology
Typical
• Long life and stable output
Units
• Sealed Package
Ratings * V
• High mechanical robustness
VOC
open circuit voltage
1.89
JSC
short circuit current density (wafer level)
42.4
Vmpp
voltage at max. power point
1.50
Jmpp
current density at max. power point (wafer level)
37.2
mA/cm
2
Applications
Pmpp
maximum peak power (wafer level)
18.6
mW/cm
2
• Battery chargers for portables such as cell
FF
fill factor
> 65
%
η
solar cell efficiency (wafer level)
22
%
ΔVOC/ΔT
open circuit voltage temp. coefficient (wafer level)
-2.1
mV/K
ΔJSC/ΔT
short circuit current temp. coefficient (wafer level)
0.12
mA/(cm²K)
mA/cm
2
V
* All values measured at Standard Condition: 1 sun (= 100 mW/cm²), Air Mass 1.5, 25°C
• Surface Mount Package • Reflow Solderable
phones, PDAs, GPS-Systems, … • “Green” electricity generation • Power backup for UPS, Sensors, Wearables
Advantages • Automatic Pick & Place Mounting • One Product for Multiple Applications • Flexible Integration into the Application
IXYS reserves the right to change limits, test conditions and dimensions
1 IXYS KOREA LTD. AICT 4F, A Dong.145 Gwanggyo-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi-do, Korea (443-270) Phone +82-31-888-5232, Fax +82-31-888-5233 Rev. MAR. 2013
© 2010 IXYS All rights reserved IXYS Corporation 1590 Buckeye Drive, Milpitas, CA 95035-7418 Phone (408) 457-9000, Fax 408-496-0670
MB 63-40 Motor • • • • • • • •
Permanent magnet motor, economical design. Rotation direction CW seen from shaft end, the reverse may be obtained by reversing the electrical connection. Rotation on 2 ball bearings. Electrical connection on 2 tabs of 6.3 x 0.8mm. Open motor with zamak front flange. Sealing class: IP00. Insulation class: B. Brush life time up to 3000 h depending use cycles.
Technical Data Part number Input voltage
MB 63-40 001
MB 63-40 002
MB 63-40 003
MB 63-40 004
MB 63-40 005
MB 63-40 006
12
24
48
110
24
72
3700
3500
3300
3400
1270
5600
1.0
0.5
0.2
0.08
0.2
0.3
3100
2950
2850
3000
1050
4900
14
15
14
13
12
20
(VDC)
No load rotation speed (RPM) No load amperage
(A)
Nominal rotation speed (RPM) Nominal torque
(N.cm)
Nominal output wattage
(W)
46
47
42
42
13
105
Nominal amperage
(A)
5.5
2.9
1.3
0.6
0.8
2.2
Nominal input wattage
(W)
66
70
62
64
19
161
Nominal efficiency
(%)
69
67
67
66
66
66
(N.cm)
90
100
105
120
68
170
(A)
30
16.5
8.5
4.6
4.0
16.4
Rotor inertia
(g.cm²)
450
446
443
442
442
450
Max. weight
(kg)
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
0.95
Locked rotor torque Locked rotor amperage
Possible options on request
• • • • • • • •
10
Any other input DC voltage is possible up to 240VDC. Any other rotation speed between 1000 and 6500 RPM is possible on request. Possibility of other flange, in line to your need. Possibility of shaft end dedication, in line to your need. Possibility to adapt a second output shaft on the opposite side of regular output shaft. Possibility to fit a tachometer. Possibility to fit a braking system. Possibility to fit a parallel gear reducer or planetary gear reducer (refer following pages).
MB 63-40 Motor Dimensions
Performance Data MB 63-40 001 MB 63-40 002 MB 63-40 003 MB 63-40 004
4000
24
4000
12
1000
6
0 0
20
40
60 80 Torque (N.cm)
100
120
MB 63-40 006 MB 63-40 005 6
2000
0
0
30
60
90 120 Torque (N.cm)
150
180
Amperage (A)
12
Rotation (RPM)
2000
0
•
18
18 Ampearge (A)
Rotation (RPM)
3000
6000
0
NOTES: In any application case, the performance data can be adapted to your need. MB 63-40 005 & MB 63-40 006 versions are examples of dedicated motors. The above performance data are subject to change by D’ISSY-MOTOR without notice.
11
RB 63-80 Geared Motor • • • • • • • •
Permanent magnet motor. For MB 63-25 or MB 63-40 motor description: see previous pages following requested performance. Rotation direction CW seen from shaft end, the reverse may be obtained by reversing the electrical connection. Open motor to be installed on protected systems. Rotation on 2 ball bearings on output shaft. Zamak gear housing with parallel gear shafts from 2 to 6 stages up to 8.0 N.m max. Possibility of gear ratios from 3.7÷1 to 2880÷1 in a small dimension. Electrical connection on 2 tabs of 6.35 mm x 0.8 mm.
Technical Data Part number Input voltage
RB 63-80 001
RB 63-80 002
RB 63-80 003
RB 63-80 004
RB 63-80 005
RB 63-80 006
12
24
48
12
24
48
(VDC)
Motor part number fitted on gear box and nominal output torque
Out. rotation speed (RPM)
Gear ratio
757
MB 63-25 001
MB 63-25 002
MB 63-25 003
MB 63-40 001
MB 63-40 002
MB 63-40 003
3.7÷1
0.39
0.45
0.51
0.63
0.60
0.57
136
20.6÷1
0.63
0.73
0.83
1.02
0.97
0.92
79
35.6÷1
1.26
1.46
1.65
2.04
1.94
1.85
58
48.4÷1
2.24
2.58
2.92
3.61
3.44
3.27
39
71.6÷1
3.50
4.04
4.57
5.65
5.38
5.11
31
90.5÷1
4.27
4.92
5.58
6.89
6.56
6.23
20
138÷1
5.69
6.56
7.44
8.00
8.00
8.00
16
173÷1
7.37
8.00
8.00
8.00
12
232÷1
8.00
8.00
8.00
9.3
300÷1
8.00
8.00
8.00
6.9
405÷1
8.00
8.00
8.00
5.6
498÷1
8.00
8.00
8.00
4.6
606÷1
8.00
8.00
8.00
3.9
709÷1
8.00
8.00
8.00
3.3
847÷1
8.00
8.00
8.00
2.5
1133÷1
8.00
8.00
8.00
0.97
2880÷1
8.00
8.00
8.00
1.5
1.5
1.5
Max. overall weight
(kg)
Possible options on request
• • • 26
(N.m)
Possibility of shaft end dedication, in line to your need. Possibility to supply intermediate gear ratio. Possibility to fit a tachometer or a braking system onto the motor.
Fitting model MB 63-40 motor is unnecessary for these gear ratios, because gear box is limited to 8.0 N.m.
1.7
1.7
1.7
RB 63-80 Geared Motor Dimensions
Performance Data
800 700 with MB 63-40 … with MB 63-25 …
Rotation (RPM)
600 500 400 300 200 100 0 0
•
1.0
2.0
3.0
4.0 5.0 Torque (N.m)
6.0
7.0
8.0
NOTES: In any application case, the performance data can be adapted to your need. The above performance data are subject to change by D’ISSY-MOTOR without notice.
27
UA741 General-purpose single operational amplifier Datasheet - production data
N DIP8 (plastic package)
Features • Large input voltage range • No latch-up • High gain • Short-circuit protection • No frequency compensation required
D SO8 (plastic micropackage)
• Same pin configuration as the UA709
Applications • Summing amplifiers • Voltage followers • Integrators • Active filters
Pin connections (top view)
• Function generators
Description The UA741 is a high performance monolithic operational amplifier constructed on a single silicon chip. It is intended for a wide range of analog applications.
1 - Offset null 1 2 - Inverting input 3 - Non-inverting input 4 - VCC5 - Offset null 2 6 - Output 7 - VCC+ 8 - N.C.
September 2013 This is information on a product in full production.
The high gain and wide range of operating voltages provide superior performances in integrators, summing amplifiers and general feedback applications. The internal compensation network (6 dB/octave) ensures stability in closedloop circuits.
DocID5304 Rev 3
1/11 www.st.com
Absolute maximum ratings and operating conditions
2
UA741
Absolute maximum ratings and operating conditions Table 1. Absolute maximum ratings Symbol
Parameter
Value
VCC
Supply voltage
±22
Vid
Differential input voltage
±30
Vi
Input voltage
±15
Output short-circuit duration
Unit
V
Infinite
Thermal resistance junction to ambient Rthja
DIP8
85 125
SO8 Thermal resistance junction to case Rthjc
DIP8
41 40
SO8
ESD
Tstg
°C/W
HBM: human body model(1) DIP package SO package
500 400
MM: machine model(2)
100
CDM: charged device model(3)
1.5
kV
-65 to +150
°C
Storage temperature range
V
1. Human body model: a 100 pF capacitor is charged to the specified voltage, then discharged through a 1.5kΩ resistor between two pins of the device. This is done for all couples of connected pin combinations while the other pins are floating. 2. Machine model: a 200 pF capacitor is charged to the specified voltage, then discharged directly between two pins of the device with no external series resistor (internal resistor < 5 Ω). This is done for all couples of connected pin combinations while the other pins are floating. 3. Charged device model: all pins and the package are charged together to the specified voltage and then discharged directly to the ground through only one pin. This is done for all pins.
Table 2. Operating conditions Symbol
4/11
Parameter
VCC
Supply voltage
Vicm
Common mode input voltage range
Toper
Operating free air temperature range
UA741I
UA741C 5 to 40
DocID5304 Rev 3
V
±12 -40 to +105
Unit
0 to +70
°C
UA741
3
Electrical characteristics
Electrical characteristics Table 3. Electrical characteristics at VCC = ±15 V, Tamb = 25 °C (unless otherwise specified)
Symbol
Parameter
Min.
Typ.
Max.
Unit mV
Vio
Input offset voltage (Rs ≤10 kΩ) Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
1
5 6
Iio
Input offset current Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
2
30 70
Iib
Input bias current Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
10
nA
100 200
Avd
Large signal voltage gain (Vo = ±10 V, RL = 2 kΩ) Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
50 25
200
V/mV
SVR
Supply voltage rejection ratio (Rs ≤10 kΩ) Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
77 77
90
dB
ICC
Supply current, no load Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
Vicm
Input common mode voltage range Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
±12 ±12
CMR
Common mode rejection ratio (RS ≤10 kΩ) Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
70 70
90
Output short circuit current
10
25
12 10 12 10
14 13
V
0.25
0.5
V/μs
IOS
±Vopp
SR
Output voltage swing Tamb = +25 °C Tmin ≤Tamb ≤Tmax
1.7
RL = 10 kΩ RL = 2 kΩ RL = 10 kΩ RL = 2 kΩ
Slew rate Vi = ±10 V, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, unity gain
2.8 3.3
mA
V
dB 40
mA
tr
Rise time Vi = ±20 mV, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, unity gain
0.3
μs
Kov
Overshoot Vi = 20 mV, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, unity gain
5
%
2
MΩ
Ri
Input resistance
0.3
DocID5304 Rev 3
5/11 11
Electrical characteristics
UA741
Table 3. Electrical characteristics at VCC = ±15 V, Tamb = 25 °C (unless otherwise specified) (continued) Symbol
Parameter
GBP
Gain bandwidth product Vi = 10 mV, RL = 2 kΩ, CL = 100 pF, f =100 kHz
THD
Total harmonic distortion f = 1 kHz, Av = 20 dB, RL = 2 kΩ, Vo = 2 Vpp, CL = 100 pF, Tamb = +25° C
Min.
Typ.
Max.
Unit
0.7
1
MHz
0.06
%
en
Equivalent input noise voltage f = 1 kHz, Rs = 100 Ω
23
nV -----------Hz
∅m
Phase margin
50
Degree
6/11
DocID5304 Rev 3
TL081 General purpose JFET single operational amplifiers Features ■
Wide common-mode (up to VCC+) and differential voltage range
■
Low input bias and offset current
■
Output short-circuit protection
■
High input impedance JFET input stage
■
Internal frequency compensation
■
Latch-up free operation
■
High slew rate: 16 V/µs (typ)
N DIP8 (Plastic package)
D SO-8 (Plastic micropackage)
Description The TL081, TL081A and TL081B are high-speed JFET input single operational amplifiers incorporating well matched, high-voltage JFET and bipolar transistors in a monolithic integrated circuit.
Pin connections (top view)
The devices feature high slew rates, low input bias and offset currents, and low offset voltage temperature coefficient.
1 - Offset null 1 2 - Inverting input 3 - Non-inverting input 4 - VCC5 - Offset null 2 6 - Output 7 - VCC+ 8 - N.C.
June 2008
Rev 3
1/15 www.st.com
15
Schematic diagram
1
TL081
Schematic diagram Figure 1.
Schematic diagram V CC
Non-inverting input Inverting input 100 Ω
200 Ω Output
30k
100 Ω
8.2k
1.3k
35k
1.3k
35k
100 Ω
V CC
Offset Null1
Figure 2.
Offset Null2
Input offset voltage null circuit
TL081
N2
N1
100k Ω V CC
2/15
TL081
2
Absolute maximum ratings
Absolute maximum ratings Table 1.
Absolute maximum ratings
Symbol VCC Vin
Parameter Supply voltage (1) Input voltage
(2)
Vid
Differential input voltage
Ptot
Power dissipation
TL081C, AC, BC
TL081I, AI, BI
(3)
Output short-circuit duration (4)
Unit
±18
V
±15
V
±30
V
680
mW
Infinite
Tstg
Storage temperature range
Rthja
Thermal resistance junction to ambient(5) (6) SO-8 DIP8
125 85
Rthjc
Thermal resistance junction to case(5) (6) SO-8 DIP8
40 41
°C/W
HBM: human body model(7)
500
V
200
V
1.5
kV
ESD
-65 to +150
MM: machine model(8) (9)
CDM: charged device model
°C
°C/W
1. All voltage values, except differential voltage, are with respect to the zero reference level (ground) of the supply voltages where the zero reference level is the midpoint between VCC+ and VCC-. 2. The magnitude of the input voltage must never exceed the magnitude of the supply voltage or 15 volts, whichever is less. 3. Differential voltages are the non-inverting input terminal with respect to the inverting input terminal. 4. The output may be shorted to ground or to either supply. Temperature and/or supply voltages must be limited to ensure that the dissipation rating is not exceeded. 5. Short-circuits can cause excessive heating and destructive dissipation. 6. Rth are typical values. 7. Human body model: 100 pF discharged through a 1.5kΩ resistor between two pins of the device, done for all couples of pin combinations with other pins floating. 8. Machine model: a 200 pF cap is charged to the specified voltage, then discharged directly between two pins of the device with no external series resistor (internal resistor < 5 Ω), done for all couples of pin combinations with other pins floating. 9. Charged device model: all pins plus package are charged together to the specified voltage and then discharged directly to the ground.
Table 2. Symbol
Operating conditions Parameter
VCC
Supply voltage range
Toper
Operating free-air temperature range
TL081I, AI, BI
TL081C, AC, BC 6 to 36
-40 to +105
Unit V
0 to +70
°C
3/15
Electrical characteristics
TL081
3
Electrical characteristics
Table 3.
VCC = ±15V, Tamb = +25°C (unless otherwise specified)
Symbol
Parameter
TL081I, AC, AI, BC, BI Min.
Vio
DVio
Input offset voltage (Rs = 50Ω) TL081 Tamb = +25°C TL081A TL081B Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax TL081 TL081A TL081B Input offset voltage drift
Typ.
Max.
3 3 1
10 6 3 13 7 5
TL081C Unit Min.
Typ.
Max.
3
10 mV 13
10
10
µV/°C
(1)
Iio
Input offset current Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
5
100 4
5
100 10
pA nA
Iib
Input bias current (1) Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
20
200 20
20
400 20
nA
Avd
Large signal voltage gain (RL = 2kΩ, Vo = ±10V) Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
50 25
200
25 15
200
V/mV
SVR
Supply voltage rejection ratio (RS = 50Ω) Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
80 80
86
70 70
86
dB
ICC
Supply current, no load Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
Vicm
Input common mode voltage range
CMR
Common mode rejection ratio (RS = 50Ω) Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
80 80
86
Output short-circuit current Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
10 10
40
10 12 10 12 8
Ios
±Vopp
SR
4/15
Output voltage swing Tamb = +25°C Tmin ≤ Tamb ≤ Tmax
1.4
RL = 2kΩ RL = 10kΩ RL = 2kΩ RL = 10kΩ
Slew rate (Tamb = +25°C) Vin = 10V, RL = 2kΩ, CL = 100pF, unity gain
±11
2.5 2.5
+15 -12
1.4
2.5 2.5
mA
+15 -12
V
70 70
86
dB
10 10
40
12 13.5
10 12 10 12
12 13.5
V
16
8
16
V/µs
±11
60 60
60 60
mA
TL081 Table 3.
Electrical characteristics VCC = ±15V, Tamb = +25°C (unless otherwise specified) (continued)
Symbol
Parameter
TL081I, AC, AI, BC, BI Min.
Typ.
Max.
TL081C Unit Min.
Typ.
Max.
tr
Rise time (Tamb = +25°C) Vin = 20mV, RL = 2kΩ, CL = 100pF, unity gain
0.1
0.1
µs
Kov
Overshoot (Tamb = +25°C) Vin = 20mV, RL = 2kΩ, CL = 100pF, unity gain
10
10
%
GBP
Gain bandwidth product (Tamb = +25°C) Vin = 10mV, RL = 2kΩ, CL = 100pF, F= 100kHz
4
MHz
Ri THD
2.5
4
2.5
Input resistance
1012
1012
Ω
Total harmonic distortion (Tamb = +25°C), F= 1kHz, RL = 2kΩ,CL = 100pF, Av = 20dB, Vo = 2Vpp
0.01
0.01
%
en
Equivalent input noise voltage RS = 100Ω, F= 1kHz
15
15
nV -----------Hz
∅m
Phase margin
45
45
degrees
1. The input bias currents are junction leakage currents which approximately double for every 10°C increase in the junction temperature.
5/15
IRF520, SiHF520 Vishay Siliconix
Power MOSFET FEATURES
PRODUCT SUMMARY VDS (V)
• • • • • • •
100
RDS(on) ()
VGS = 10 V
0.27
Qg (Max.) (nC)
16
Qgs (nC)
4.4
Qgd (nC)
7.7
Configuration
Single
Dynamic dV/dt Rating Repetitive Avalanche Rated 175 °C Operating Temperature Fast Switching Ease of Paralleling Simple Drive Requirements Compliant to RoHS Directive 2002/95/EC
Available
RoHS* COMPLIANT
D
DESCRIPTION
TO-220AB
Third generation Power MOSFETs from Vishay provide the designer with the best combination of fast switching, ruggedized device design, low on-resistance and cost-effectiveness. The TO-220AB package is universally preferred for all commercial-industrial applications at power dissipation levels to approximately 50 W. The low thermal resistance and low package cost of the TO-220AB contribute to its wide acceptance throughout the industry.
G
G
D
S S N-Channel MOSFET
ORDERING INFORMATION Package
TO-220AB IRF520PbF SiHF520-E3 IRF520 SiHF520
Lead (Pb)-free SnPb
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (TC = 25 °C, unless otherwise noted) PARAMETER
SYMBOL
LIMIT
Drain-Source Voltage
VDS
100
Gate-Source Voltage
VGS
± 20
Continuous Drain Current
VGS at 10 V
TC = 25 °C TC = 100 °C
Pulsed Drain Currenta
ID IDM
Linear Derating Factor
UNIT V
9.2 6.5
A
37 0.40
W/°C
Single Pulse Avalanche Energyb
EAS
200
mJ
Repetitive Avalanche Currenta
IAR
9.2
A
Repetitive Avalanche Energya
EAR
6.0
mJ
Maximum Power Dissipation
TC = 25 °C
Peak Diode Recovery dV/dtc Operating Junction and Storage Temperature Range Soldering Recommendations (Peak Temperature) Mounting Torque
for 10 s 6-32 or M3 screw
PD
60
W
dV/dt
5.5
V/ns
TJ, Tstg
- 55 to + 175 300d
°C
10
lbf · in
1.1
N·m
Notes a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11). b. VDD = 25 V, starting TJ = 25 °C, L = 3.5 mH, Rg = 25 , IAS = 9.2 A (see fig. 12). c. ISD 9.2 A, dI/dt 110 A/μs, VDD VDS, TJ 175 °C. d. 1.6 mm from case. * Pb containing terminations are not RoHS compliant, exemptions may apply Document Number: 91017 S11-0511-Rev. B, 21-Mar-11
www.vishay.com 1
This datasheet is subject to change without notice. THE PRODUCT DESCRIBED HEREIN AND THIS DATASHEET ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
IRF520, SiHF520 Vishay Siliconix THERMAL RESISTANCE RATINGS PARAMETER
SYMBOL
TYP.
MAX.
Maximum Junction-to-Ambient
RthJA
-
62
Case-to-Sink, Flat, Greased Surface
RthCS
0.50
-
Maximum Junction-to-Case (Drain)
RthJC
-
2.5
UNIT
°C/W
SPECIFICATIONS (TJ = 25 °C, unless otherwise noted) PARAMETER
SYMBOL
TEST CONDITIONS
MIN.
TYP.
MAX.
UNIT
Static Drain-Source Breakdown Voltage VDS Temperature Coefficient
VDS
VGS = 0 V, ID = 250 μA
100
-
-
V
VDS/TJ
Reference to 25 °C, ID = 1 mA
-
0.13
-
V/°C
VGS(th)
VDS = VGS, ID = 250 μA
2.0
-
4.0
V
Gate-Source Leakage
IGSS
VGS = ± 20 V
-
-
± 100
nA
Zero Gate Voltage Drain Current
IDSS
VDS = 100 V, VGS = 0 V
-
-
25
VDS = 80 V, VGS = 0 V, TJ = 150 °C
-
-
250
Gate-Source Threshold Voltage
μA
-
-
0.27
gfs
VDS = 50 V, ID = 5.5 Ab
2.7
-
-
S
Input Capacitance
Ciss
VGS = 0 V,
-
360
-
Output Capacitance
Coss
VDS = 25 V,
-
150
-
Reverse Transfer Capacitance
Crss
f = 1.0 MHz, see fig. 5
-
34
-
Total Gate Charge
Qg
-
-
16
Gate-Source Charge
Qgs
-
-
4.4
Drain-Source On-State Resistance Forward Transconductance
RDS(on)
ID = 5.5 Ab
VGS = 10 V
Dynamic
VGS = 10 V
ID = 9.2 A, VDS = 80 V, see fig. 6 and 13b
Gate-Drain Charge
Qgd
-
-
7.7
Turn-On Delay Time
td(on)
-
8.8
-
Rise Time Turn-Off Delay Time
pF
nC
tr
VDD = 50 V, ID = 9.2 A,
-
30
-
td(off)
Rg = 18 , RD = 5.2, see fig. 10b
-
19
-
-
20
-
-
4.5
-
-
7.5
-
-
-
9.2
-
-
37
-
-
1.8
V
-
110
260
ns
-
0.53
1.3
μC
Fall Time
tf
Internal Drain Inductance
LD
Internal Source Inductance
LS
Between lead, 6 mm (0.25") from package and center of die contact
D
ns
nH
G
S
Drain-Source Body Diode Characteristics Continuous Source-Drain Diode Current
IS
Pulsed Diode Forward Currenta
ISM
Body Diode Voltage
VSD
Body Diode Reverse Recovery Time
trr
Body Diode Reverse Recovery Charge
Qrr
Forward Turn-On Time
ton
MOSFET symbol showing the integral reverse p - n junction diode
D
A
G
S
TJ = 25 °C, IS = 9.2 A, VGS = 0 Vb TJ = 25 °C, IF = 9.2 A, dI/dt = 100 A/μsb
Intrinsic turn-on time is negligible (turn-on is dominated by LS and LD)
Notes a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11). b. Pulse width 300 μs; duty cycle 2 %.
www.vishay.com 2
Document Number: 91017 S11-0511-Rev. B, 21-Mar-11
This datasheet is subject to change without notice. THE PRODUCT DESCRIBED HEREIN AND THIS DATASHEET ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
IRF9520, SiHF9520 Vishay Siliconix
Power MOSFET FEATURES
PRODUCT SUMMARY VDS (V)
• • • • • • • •
- 100
RDS(on) ()
VGS = - 10 V
0.60
Qg (Max.) (nC)
18
Qgs (nC)
3.0
Qgd (nC)
9.0
Configuration
Single S
Dynamic dV/dt Rating Repetitive Avalanche Rated P-Channel 175 °C Operating Temperature Fast Switching Ease of Paralleling Simple Drive Requirements Compliant to RoHS Directive 2002/95/EC
Available
RoHS* COMPLIANT
TO-220AB
DESCRIPTION Third generation Power MOSFETs from Vishay provide the designer with the best combination of fast switching, ruggedized device design, low on-resistance and cost-effectiveness. The TO-220AB package is universally preferred for all commercial-industrial applications at power dissipation levels to approximately 50 W. The low thermal resistance and low package cost of the TO-220AB contribute to its wide acceptance throughout the industry.
G
G
D
S D P-Channel MOSFET
ORDERING INFORMATION Package
TO-220AB IRF9520PbF SiHF9520-E3 IRF9520 SiHF9520
Lead (Pb)-free SnPb
ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (TC = 25 °C, unless otherwise noted) PARAMETER
SYMBOL
LIMIT
Drain-Source Voltage
VDS
- 100
Gate-Source Voltage
VGS
± 20
Continuous Drain Current Pulsed Drain
VGS at - 10 V
TC = 25 °C TC = 100 °C
Currenta
ID IDM
Linear Derating Factor
UNIT V
- 6.8 - 4.8
A
- 27 0.40
W/°C mJ
Single Pulse Avalanche Energyb
EAS
300
Repetitive Avalanche Currenta
IAR
- 6.8
A
Repetitive Avalanche Energya
EAR
6.0
mJ
Maximum Power Dissipation
TC = 25 °C
Peak Diode Recovery dV/dtc Operating Junction and Storage Temperature Range Soldering Recommendations (Peak Temperature) Mounting Torque
for 10 s 6-32 or M3 screw
PD
60
W
dV/dt
- 5.5
V/ns
TJ, Tstg
- 55 to + 175 300d
°C
10
lbf · in
1.1
N·m
Notes a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11). b. VDD = - 25 V, starting TJ = 25 °C, L = 9.7 mH, Rg = 25 , IAS = - 6.8 A (see fig. 12). c. ISD - 6.8 A, dI/dt 110 A/μs, VDD VDS, TJ 175 °C. d. 1.6 mm from case. * Pb containing terminations are not RoHS compliant, exemptions may apply Document Number: 91074 S11-0512-Rev. B, 21-Mar-11
www.vishay.com 1
This datasheet is subject to change without notice. THE PRODUCT DESCRIBED HEREIN AND THIS DATASHEET ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
IRF9520, SiHF9520 Vishay Siliconix THERMAL RESISTANCE RATINGS PARAMETER
SYMBOL
TYP.
MAX.
Maximum Junction-to-Ambient
RthJA
-
62
Case-to-Sink, Flat, Greased Surface
RthCS
0.50
-
Maximum Junction-to-Case (Drain)
RthJC
-
2.5
UNIT
°C/W
SPECIFICATIONS (TJ = 25 °C, unless otherwise noted) PARAMETER
SYMBOL
TEST CONDITIONS
MIN.
TYP.
MAX.
UNIT
Static Drain-Source Breakdown Voltage VDS Temperature Coefficient
VDS
VGS = 0 V, ID = - 250 μA
- 100
-
-
V
VDS/TJ
Reference to 25 °C, ID = - 1 mA
-
- 0.10
-
V/°C
VGS(th)
VDS = VGS, ID = - 250 μA
- 2.0
-
- 4.0
V
Gate-Source Leakage
IGSS
VGS = ± 20 V
-
-
± 100
nA
Zero Gate Voltage Drain Current
IDSS
VDS = - 100 V, VGS = 0 V
-
-
- 100
VDS = - 80 V, VGS = 0 V, TJ = 150 °C
-
-
- 500
Gate-Source Threshold Voltage
Drain-Source On-State Resistance Forward Transconductance
RDS(on) gfs
ID = - 4.1 Ab
VGS = - 10 V
VDS = - 50 V, ID = - 4.1 Ab
μA
-
-
0.60
2.0
-
-
S
-
390
-
-
170
-
-
45
-
-
-
18
Dynamic Input Capacitance
Ciss
Output Capacitance
Coss
Reverse Transfer Capacitance
Crss
Total Gate Charge
Qg
Gate-Source Charge
Qgs
-
-
3.0
Gate-Drain Charge
Qgd
-
-
9.0
Turn-On Delay Time
td(on)
-
9.6
-
tr
-
29
-
-
21
-
-
25
-
-
4.5
-
Rise Time Turn-Off Delay Time
td(off)
Fall Time
tf
Internal Drain Inductance
LD
Internal Source Inductance
LS
VGS = 0 V, VDS = - 25 V, f = 1.0 MHz, see fig. 5
VGS = - 10 V
ID = - 6.8 A, VDS = - 80 V, see fig. 6 and 13b
VDD = - 50 V, ID = - 6.8 A, Rg = 18 , RD = 7.1, see fig. 10b
Between lead, 6 mm (0.25") from package and center of die contact
D
pF
nC
ns
nH
G
-
7.5
-
-
-
- 6.8
-
-
- 27
-
-
- 6.3
-
98
200
ns
-
0.33
0.66
μC
S
Drain-Source Body Diode Characteristics Continuous Source-Drain Diode Current Pulsed Diode Forward Currenta Body Diode Voltage
IS ISM VSD
Body Diode Reverse Recovery Time
trr
Body Diode Reverse Recovery Charge
Qrr
Forward Turn-On Time
ton
MOSFET symbol showing the integral reverse p - n junction diode
D
A
G
TJ = 25 °C, IS = - 6.8 A, VGS = 0
S
Vb
TJ = 25 °C, IF = - 6.8 A, dI/dt = 100 A/μsb
V
Intrinsic turn-on time is negligible (turn-on is dominated by LS and LD)
Notes a. Repetitive rating; pulse width limited by maximum junction temperature (see fig. 11). b. Pulse width 300 μs; duty cycle 2 %.
www.vishay.com 2
Document Number: 91074 S11-0512-Rev. B, 21-Mar-11
This datasheet is subject to change without notice. THE PRODUCT DESCRIBED HEREIN AND THIS DATASHEET ARE SUBJECT TO SPECIFIC DISCLAIMERS, SET FORTH AT www.vishay.com/doc?91000
Conductive Plastic Potentiometer HuiRen Electronic
Professional conductive plastic potentiometer manufacture
MODEL:WDD35D1 Feature： Precision linear Long mechanical life High resolution Small dynamic noise Convenient and reliable installation
Standard Dimensions
General Specifications Electrical
Mechanical
Standard Resistance Resistance Tolerance Independent Linearity Electrical Travel
1KΩ、2KΩ、3KΩ、5KΩ、10KΩ ±15% 0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1% 345°±2°
Power Rating
2W（70℃）
Resist.Temperature Coefficient
≤±0.04%/℃
Insulation Resistance ≥1000MΩ（500VD.C） Dielectric Stregth Output Smoothness
Mechanical Travel 360°（endless） Starting Torque ≤10*10‐4N.M
Environmental Life Expectancy Operating Temperature
6
50*10 cycle —55℃~+125℃
Vibration
15G 2000Hz
Shock
50G 11ms
1000V（AC.RMS)1min ≤±0.1%
Special Specifications Available Shaft Length,Diameter,stopper,special electrical travel,Special machining on the shaft.
LM78XX / LM78XXA 3-Terminal 1 A Positive Voltage Regulator Features
Description
• • • • •
The LM78XX series of three-terminal positive regulators is available in the TO-220 package and with several fixed output voltages, making them useful in a wide range of applications. Each type employs internal current limiting, thermal shut-down, and safe operating area protection. If adequate heat sinking is provided, they can deliver over 1 A output current. Although designed primarily as fixedvoltage regulators, these devices can be used with external components for adjustable voltages and currents.
Output Current up to 1 A Output Voltages: 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 18, 24 V Thermal Overload Protection Short-Circuit Protection Output Transistor Safe Operating Area Protection
TO-220 (Single Gauge) GND
1
1. Input 2. GND 3. Output
Ordering Information(1) Product Number
Output Voltage Tolerance
Package
Operating Temperature
Packing Method
LM7805CT LM7806CT LM7808CT LM7809CT LM7810CT
-40°C to +125°C
±4%
LM7812CT LM7815CT
TO-220 (Single Gauge)
LM7818CT
Rail
LM7824CT LM7805ACT LM7809ACT LM7810ACT
±2%
0°C to +125°C
LM7812ACT LM7815ACT Note: 1. Above output voltage tolerance is available at 25°C.
© 2006 Fairchild Semiconductor Corporation LM78XX / LM78XXA Rev. 1.3.1
www.fairchildsemi.com
LM78XX / LM78XXA — 3-Terminal 1 A Positive Voltage Regulator
September 2014
Input
Series Pass Element
1 Current Generator
Starting Circuit
Reference Voltage
Output 3
SOA Protection
Error Amplifier
Thermal Protection GND 2
Figure 1. Block Diagram
Absolute Maximum Ratings Stresses exceeding the absolute maximum ratings may damage the device. The device may not function or be operable above the recommended operating conditions and stressing the parts to these levels is not recommended. In addition, extended exposure to stresses above the recommended operating conditions may affect device reliability. The absolute maximum ratings are stress ratings only. Values are at TA = 25°C unless otherwise noted.
Symbol VI
Parameter Input Voltage
Value VO = 5 V to 18 V
35
VO = 24 V
40
RθJC
Thermal Resistance, Junction-Case (TO-220)
RθJA
Thermal Resistance, Junction-Air (TO-220)
TOPR
Operating Temperature Range
TSTG
Storage Temperature Range
© 2006 Fairchild Semiconductor Corporation LM78XX / LM78XXA Rev. 1.3.1
LM78xx LM78xxA
Unit V
5
°C/W
65
°C/W
-40 to +125 0 to +125 - 65 to +150
°C °C
www.fairchildsemi.com 2
LM78XX / LM78XXA — 3-Terminal 1 A Positive Voltage Regulator
Block Diagram
Refer to the test circuit, -40°C < TJ < 125°C, IO = 500 mA, VI = 10 V, CI = 0.1 μF, unless otherwise specified.
Symbol
Parameter
Conditions
Min.
Typ.
Max.
TJ = +25°C
4.80
5.00
5.20
Output Voltage
IO = 5 mA to 1 A, PO ≤ 15 W, VI = 7 V to 20 V
4.75
5.00
5.25
Regline
Line Regulation(2)
TJ = +25°C
Regload
Load Regulation(2)
TJ = +25°C
IQ
Quiescent Current
TJ = +25°C
ΔIQ
Quiescent Current Change
ΔVO/ΔT VN
VO
Unit V
VI = 7 V to 25 V
4.0
100.0
VI = 8 V to 12 V
1.6
50.0
IO = 5 mA to 1.5 A
9.0
100.0
IO = 250 mA to 750 mA
4.0
50.0
5
8
IO = 5 mA to 1 A
0.03
0.50
VI = 7 V to 25 V
0.30
1.30
Output Voltage Drift(3)
IO = 5 mA
-0.8
mV/°C
Output Noise Voltage
f = 10 Hz to 100 kHz, TA = +25°C
42
μV
RR
Ripple Rejection
VDROP
Dropout Voltage
(3)
(3)
f = 120 Hz, VI = 8 V to 18 V
62
mV mV mA mA
73
dB
TJ = +25°C, IO = 1 A
2
V
f = 1 kHz
15
mΩ
RO
Output Resistance
ISC
Short-Circuit Current
TJ = +25°C, VI = 35 V
230
mA
IPK
Peak Current(3)
TJ = +25°C
2.2
A
Notes: 2. Load and line regulation are specified at constant junction temperature. Changes in VO due to heating effects must be taken into account separately. Pulse testing with low duty is used. 3. These parameters, although guaranteed, are not 100% tested in production.
© 2006 Fairchild Semiconductor Corporation LM78XX / LM78XXA Rev. 1.3.1
www.fairchildsemi.com 3
LM78XX / LM78XXA — 3-Terminal 1 A Positive Voltage Regulator
Electrical Characteristics (LM7805)
HIT Photovoltaic Module
HIT Power 240S R&D technology adaptation
Improvement of cell efficiency to reduce - carrier recombination loss - optical absorption loss - resistance loss
Application of three tabs
- Reducing electrical loss between the cell fingers and tabs - Making the tab width thinner to expand the light receiving surface
R&D Antitechnology reflection adaptation glass
VBHN240SA06
New tab design
21.6%
*
Improvement of cell efficiency to reduce technology -Light carriercapturing recombination loss -- optical absorption Reducing reflectionloss and scattering of -incoming resistance loss light - Improving generated electricity levels in morning and evening times
Application of three tabs
- Reducing electrical loss between the cell fingers and tabs - Making the tab width thinner to expand the light receiving surface
New tab design
Ultra High Efficiency & Superior Real World Performance HIT Power Solar panels are leaders in sunlight conversion efficiency. Our Light capturing hybrid cells produce the highest output ontechnology cloudy days. 21.6% Cell Conversion Efficiency - Reducing reflection and scattering of Most PTC Power 223.5W incoming light - Improving generated electricity levels in Highest PTC/STC Ratio 93% +
Antireflection Benefit in Terms of Performance morning and evening times Qualityglass
Panasonic is truly committed to quality since it began developing Superior Temperature Performance manufacturing modules 1975. Our long track As and temperatures rise,solar HIT PV Power solarinpanels produce 10% or more record is(kWh) supported our claim-rate of only 0.00214 or 62panels at the electricity thanwith conventional crystalline silicon%solar product- guarantee cases out of 2,885,689 solar modules same temperature.
* 21.6% Cell Conversion Efficiency
HIT
Benefit in Terms of Performance
and manufacturing solar PV modules in 1975. Our long track
Three tabs
Thin mono crystalline silicon wafer
n
Electrode
Ultra-thin amorphous silicon layer
normalized output power
Power Guarantee at high guarantee customers receive TheHigh powerperformance ratings for HIT Power panels temperatures Even high temperatures, thepower HIT solar can maintain higher 100% ofatthe nameplate rated (orcell more) at the time of purchase, efficiency than a conventional crystalline silicon solar cell. Quality enabling owners to generate more kWh per rated Watt, quicken Panasonic isreturns, truly committed qualitycomplete since it began developing investments and helptorealize customer satisfaction.
solar cell structure
Ultra-thin amorphous silicon layer
produced in our European factory in Dorog, Hungary (as of Nov. 2011) with 0 cases of output guarantee and 0 guarantee- related Quality and Reliability legal challenges.
Panasonic is truly committed to quality since it began developing and manufacturing solar PV in 1975. Since pioneering, developing and launching HIT Solar cells in the 1990s, we have been the technology leader, and for decades many satisfied customers have placed their trust in the competence in our unique HIT Technology.
®
Electrode
approx. ® HIT 10%up
Module temp.75 ℃
solar cell structure
Ultra-thin amorphous silicon layer
n
Kobe (Japan), 24. July 2007, facing south, tilt angle 30°
Three tabs
Thin mono crystalline silicon wafer
time The HIT cell and module have very highlayer conversion efficiency in mass production. Ultra-thin amorphous silicon
www.eu-solar.panasonic.net
alized output power
record isMade supported with our claim-rate of only 0.00214 % or 62 American Quality product- guarantee outingot of 2,885,689 solar modules Panasonic producecases silicon in Oregon. This ingot is processed to be produced in our European factory in Dorog, Hungary (as of Nov. Cell Efficiency Module Efficiency Output/m used for HIT solar panels. Panels are assembled in an ISO9001 (quality) Model 2011) with 0 cases of output guarantee and 0 guarantee- related N240 HIT solar cells are hybrids of mono crystalline silicon and 14001 (environment) certified factory. Unique eco-packing 21.6% 19.0% 190 W/m legal challenges. Module temp.75 ℃ surrounded by ultra thin amorphous silicon layers, and minimizes waste theCo.,job site. panels HIT is a cardboard registered trademark of SANYOat Electric Ltd. The nameThe "HIT " comes from have a Limited approx. N235 "Heterojunction with intrinsic Thin-layer" which is an original technology of SANYO Electric Co., Ltd. are available solely from Panasonic. 20-Year Power Output and 10-Year Product Workmanship Warranty. 21.1% 18.6% 186 W/m 10%up
2 2 2
HIT Power 240S Dimensions and Weight
Electrical Specifications Model
Rated Power (Pmax)
HIT Power 240S or VBHN240SA06 240 W
1
Maximum Power Voltage (Vpm)
43.7 V
Maximum Power Current (Ipm)
5.51 A
Short Circuit Current (Isc)
5.85 A
Open Circuit Voltage (Voc)
52.4 V
Temperature Coefficient (Pmax)
-0.30%/ ° C
Temperature Coefficient (Voc)
-0.126 V/ ° C
Temperature Coefficient (Isc)
1.76 mA/ ° C
NOCT
118.9°F (48.3° C)
CEC PTC Rating
223.5 W
Cell Efficiency
21.6%
Module Efficiency
19.0%
17.70 W
2
Maximum System Voltage
600 V
Series Fuse Rating
15 A
Warranted Tolerance (-/+)
-0% / +10%
Mechanical Specifications Internal Bypass Diodes
3 Bypass Diodes
Module Area
Dimensions LxWxH
Cable Length +Male/-Female
62.2x31.4x1.4 in. (1580x798x35 mm) 40.55/34.64 in. (1030/880 mm)
Cable Size / Type
Static Wind / Snow Load
Pallet Dimensions LxWxH
Quantity per Pallet / Pallet Weight
Multi-Contact ®
Safety & Rating Certifications
Dependence on Irradiance 6.00
40 pcs./1388.9 Lbs (630 kg) 560 pcs.
-4°F to 115°F (-20°C to 46°C)
1 hailstone (25mm) at 52 mph (23m/s) Class C
UL 1703, cUL, CEC
10 Years Workmanship, 20 Years Power Output
STC: Cell temp. 25°C, AM1.5, 1000W/m 2 2 Monthly average low and high of the installation site. Note: Specifications and information above may change without notice. 3 Safety locking clip (PV-SSH4) is not supplied with the module. 1
1000W/m
Cell temperature：25℃
2
5.00
280 pcs.
Operating Conditions & Safety Ratings
Fire Safety Classification
Type IV (MC4 TM )
63.2x32x.65 in. (1607x815x1650 mm)
Quantity per 20 Container
Hail Safety Impact Velocity
TYPE: HIT Power 215N
50 PSF (2.400 Pa)
Quantity per 40 Container
Ambient Operating Temperature 2
Dependence of I – V Characteristics on Irradiance (Reference)
No. 12 AWG / PV Cable
Connector Type 3
Limited Warranty
Fig.2
33.1 Lbs. (15kg)
800W/m
2
600W/m
2
400W/m
2
200W/m
2
4.00 Current[A]
Weight
HIP215NKHA5090209
13.56 Ft 2 (1.26m 2 )
Current (A)
Watts per Ft.
3.00
2.00
1.00
0.00 0
10
20
30
40
50
60
Voltage[V]
Voltage (V)
HIT is a registered trademark of Panasonic Group. The name HIT comes from Heterojunction with intrinsic Thin-layer which is an original technology of Panasonic Group.
CAUTION!
Please read the installation manual carefully before using the products. SANYO Electric Co., Ltd.
Panasonic Eco Solutions North America
10900 N. Tantau Ave. Ste. 200 Cupertino, CA 95014 Phone: 408.861.8488 Fax: 408.861.3990 us.panasonic.com/business/pesna/eco-construction-solutions/products/solar/
All Rights Reserved © 2012 COPYRIGHT SANYO North Americ a Specifications are subject to change without notice. 07/2012
La nueva Serie de baterías Solar, estan diseñadas para ciclos de carga y descarga frecuentes bajo extremas condiciones ambientales. Al combinar el nuevo electrolito de nano gel desarrollado con pasta de alta densidad, se ofrece una innovadora batería solar, la cual brinda elevada eficiencia de recarga de corriente a muy bajo costo. La estratificación del ácido es muy reducida mediante la adición de gel, por lo que es muy adecuada para el almacenamiento de energía renovable, como la energía fotovoltaica y aplicaciones de sistemas de turbinas de energía eólica. APLICACION
• Sistemas fotovoltaicos • Sistemas de energía renovable • Sistemas de energía eólica
CARACTERISTICAS GENERALES • • • • • • • •
12 años de vida a 20ºC Hasta 5 años de vida en aplicaciones de energías renovables Amplio márgen de temperatura de operación, de -15ºC a 60ºC Electrolito de nano gel que elimina la estratificación de ácido y prolonga la vida de ciclo Eficiencia de ida y vuelta de hasta 85% Gruesa placa plana positiva con pasta de alta densidad Bajo rango de auto-descarga y larga vida útil Excelente capacidad de recuperación de descarga profunda
Baterías y controladores de carga
Baterías de Gel Solar Modelos PV-BA12-120 y PV-BA 6-200
CONSTRUCCION • • • • • • • • •
Placa Positiva: Dióxido de plomo Placa Negativa: Plomo Contenedor: ABS Cubierta: ABS Sellador: Resina epóxica Válvula de seguridad: EPDR Terminales: Cobre Separadores: AGM Electrolito: Acido con gel Caracteristicas generales
PV-BA 12-120 BA020100
PV-BA 6-200 BA020101
Vida flotante
12 años
Ciclo de vida
5 años
Capacidad
120 AH
200 AH
Largo
406 mm
321 mm
Ancho
174 mm
176 mm
Altura
223 m
229 mm
Peso aproximado
36 kg
31 kg
Voltaje
12 V
6V
Uso en ciclo
14.4-14.8V (-30mV/ ºC), corriente máxima 30A
2.40 - 2.47 Vpc @ 20~25ºC
Uso flotante
13.6-13.8V (-18mV/ ºC)
2.27 - 2.30 Vpc @ 20~25ºC
Dimensiones
Voltaje de carga
www.solarpro.com.mx
|
(999) 926-0219 y 930-6609
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