Informe de Seguidor Solar

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER LABORATORIO DE SISTEMAS TÉRMICOS Viernes 9 de Agosto del 2013 SUBGRUPO 9

INFORME SEGUIDOR SOLAR JUAN CARLOS VILLAMIZAR BAUTISTA CARLOS ANDRÉS SEPÚLVEDA ADARTE ANDRÉS FERNANDO RODRÍGUEZ ORTIZ

2094028 JHAN CARLOS MANOSALVA SÁNCHEZ 2063062 EDWIN LEONARDO CRUZ ESPITIO 2083817 ALEJANDRO MELÉNDEZ FONTALVO

INTRODUCCIÓN. La civilización humana utiliza unos quince (15) Tera watts de potencia y el sol brilla a una intensidad de ochenta y nueve (89) peta watts.

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rendimiento posible, estos se diferencian considerablemente en cuanto a calidad, rendimiento, construcción y coste.

La energía solar esta dada en forma de radiación y es aprovechada mediante la captación de la luz por medio de placas, que captan el calor enviado por este astro, como también puede aprovecharse a través de la absorción de la radiación, con varios dispositivos ópticos o de otros tipos. Este tipo de energía es llamada renovable o Energía limpia o energía verde, y hacen parte del grupo de las no contaminantes. Los paneles solares se instalan normalmente en los techos o tejados de las casas debido a que necesitan la mayor captación de energía solar y requieren un área sin sombra, además deben estar orientados al sol de mediodía. Todos los diseños de captadores solares tienen el objetivo común de convertir la radiación solar en calor con el mayor

OBJETIVOS GENERAL: Verificar la validez de las ecuaciones en un día cualquiera, mediante un banco de paneles a partir de la captación de energía solar. ESPECÍFICOS: 

Evaluar el desempeño relativo de los colectores a partir de la variación de la posición.

 

Reconocer las posibles fallas que pueden presentarse en la práctica. Analizar los pros y los contras de los diferentes montajes.

MARCO TEÓRICO: COLECTOR SOLAR:

2. COLECTORES DE PLACA PLANA SIN CUBIERTA: Son exactamente iguales a los anteriores, se diferencian en que no tiene ningún tipo de cubierta (vidrio o plástico) y están expuestas a las corrientes de aire, aumentando la perdida de calor por convección y disminuyendo la eficiencia.

Son dispositivos diseñados para recolectar la energía radiada del sol y mediante un proceso de transferencia de calor, convertirla en energía térmica. Se pueden colectores:

apreciar

varios

tipos

de

1. COLECTORES DE PLACA PLANA CON CUBIERTA: Se componen de una caja metálica aislada, por donde recircula el agua una y otra vez almacenada en un tanque e impulsado por una bomba, hasta llegar a la temperatura deseada, consta además una cubierta de vidrio o de plástico y de una placa absorbedora de color oscuro, el aprovechamiento de la radiación solar es absorbida por una placa de material conductor y este a su vez le transfiere este calor a el fluido a calentar que recircula por una serie de tubos.

3. COLECTORES CONCENTRADORES PARABÓLICOS COMPUESTOS (CPC) ESTACIONARIOS: Son colectores de alta temperatura, debido a que el fluido se calienta mediante la concentración de la radiación solar en espejos parabólicos, los cuales acumulan mayor cantidad de calor reflejado en un punto específico, dándole las posibilidades de elevar las temperaturas de determinada aplicación.

4. COLECTORES DE TUBOS AL VACÍO. Aquí la gran novedad es el aislamiento que se le da con el vacío, reduciendo las pérdidas por convección de una forma enorme, alcanzando temperaturas de hasta 177°C. Estos colectores se componen de tubos de vacío, los cuales cuentan con un absolvedor, (plancha de metal o tratamiento de color negro), aquí este material recoge la energía y la transfiere al fluido que va por dentro de los tubos.

MOVIMIENTO SOLAR:

Por su forma cilíndrica, aprovechan la radiación de manera más efectiva que los otros colectores. Estos tubos de vacío pueden mejorar aún más su eficiencia adaptándoles los concentradores solares, que harán que no solo los rayos de radiación que inciden perpendicularmente al tubo de vacío le den una alta temperatura, sino que los rayos que pasaron pero q luego serán reflejados por esta serie de espejos que serán nuestros concentradores solares.

TRASLACIÓN: Movimiento que hace la tierra alrededor del sol en trecientos sesenta y cinco días con seis horas (365 dias con 6 horas), durante cada año se presentan diversos cambios por los cuales pasa la tierra debido a esta posición, debido a que su linea de traslación es en forma elíptica, se nos presentan días con mayor duración de horas de luz o de oscuridad, dependiendo la posición en que se encuentre el plateta en ese dia sobre la orbita eliptica, encontrandose el Sol en uno de los focos de la elipse. La excentricidad de la orbita terrestre hace variar la distancia entre el Sol y la Tierra al transcurso de los días, encontrandose la Tierra en sus primeros días del año muy cerca del Sol, a lo que se conoce como perihelio (dia mas cercano es el dos de Enero), a principios de Julio llega la máxima lejanía conocida como afelio.

Dicha elipse esta inclinada con respecto al plano horizontal 23.5 grados lo que se conoce como declinación.

Trae como consecuencia la sucesión de días y noches, la mitad del globo terrestre quedará iluminada y la otra en oscuridad. POSICIONAMIENTO SOLAR: Las trayectorias solares vistas desde la tierra se observan con arcos de circunferencia, por encima del horizonte.

La declinación se hace cero en marzo, el veinti-uno de Junio tendrá 23,45° y el veinti.uno de Diciembre tendrá -23.45° (negativos) que equivalen a decir que esta en la dirección contraria a la dada en Junio, a lo que también podemos concluir que en Septtiembre también tendremos cero grados de declinación. ROTACIÓN: Cada veinticuatro horas (24 horas) la Tierra completa un giro sobre su eje vertical en dirección Este-Oeste (contrario a las agujas del reloj), pasando por el centro de sus polos de una forma ideal, a este moviemiento lo conocemos como rotación.

Las trayectorias solares vistas desde la tierra se observan con arcos de circunferencia, por encima del horizonte.

POSICIONAMIENTO SOLAR MÉTODO ANALÍTICO: Mediante fórmulas trigonométricas se calculan los cuatro ángulos característicos que el Sol ocasiona sobre la tierra. DECLINACIÓN: Ángulo formado por el plano del ecuador del sol con el plano de la elíptica, se representa por la letra griega delta.

=

23,45 · sin

360 ·

284 + n 365

ALTURA O ELEVACIÓN SOLAR (

):

Es el ángulo de elevación del sol durante el día, en cualquier fecha y lugar del planeta, se representa por B.

Siendo n=número del día del año tomando como cero el primero de Enero. ÁNGULO HORARIO (omega): Es el ángulo de elevación del sol durante el día, medido en el ecuador terrestre, se representa por la letra griega omega. 1 hora ----------- 15° 24horas ----------360°

sin Tomando como referencia w=0 a las 12 meridiano, donde el sol estará en la parte las alta del cielo del lugar donde nos encontremos, y tomando las horas antes de las 12m como negativas y las de después de las 12 m positivas. Ejem -11am; 2pm.

s

= sin

· sin

Siendo delta= declinación. omega= Angulo horario. phi= latitud del lugar.

+ cos

· cos

· cos

EL AZIMUT DEL SOL (gamma_s):

Es el ángulo horizontal formado por el norte del lugar y la proyección en el piso del sol, visto desde el observador, para cualquier hora, día y lugar del planeta, se representa por sin (

s

) =

cos (

) · sin ( cos (

s

)

)

cos (

ss

AMANECER/ATARDECER

) = – tan (

PROCEDIMIENTO 1. Revisar que los componentes como los potenciómetros, y conexiones de cables estén en buen estado.

Siendo delta= declinación. w= ángulo horario. Alpha_s= Altura solar

HORA DEL (omega_ss):

OBSERVACIÓN: conociendo básicamente la latitud o el lugar donde voy a hacer mi análisis junto con el día en el que será objeto de estudio, puedo establecer: hora de amanecer atardecer, azimut solar, etc.

2. Ubicar el banco de tal manera que el norte del banco quede coincidiendo con el norte terrestre, en un lugar donde no haya interferencia entre el sol y el panel. 3. Conectar el banco a la fuente eléctrica.

) · tan ( )

Depende del signo dado en la respuesta, ya que: como se dijo anteriormente si es negativo representará las horas de la mañana y si es positivo serán las horas de la tarde.

4. Conectar el banco a la tarjeta ARDUINO y hacer la comunicación 5. Observar el movimiento del banco durante cuatro horas seguidas, el primer panel se mueve cada 30 min por medio de las ecuaciones de movimiento solar y el segundo mediante fotoceldas. 6. Comparar cual de las dos placas es más precisa, por medio de la aguja guía.

ANÁLISIS DE LA PRÁCTICA DEL SEGUIDOR SOLAR 1. ¿cuál de los dos sistemas es más exacto? ¿Explique por qué? 

2. ¿Cuáles podrían ser las causas de error de posicionamiento en los paneles? Enumere como mínimo cinco. Para una celda fotovoltaica, el sistema de control simplemente debe estar enfocado a conseguir la mayor cantidad de área útil expuesta a la luz.

este debe coincidir su norte con el norte terrestre y estar nivelado, de lo contrario aunque el panel funcione correctamente, marcara una posición falsa. La fuente de energía está fallando, como en el caso de una batería descargada o que se corta la energía, no llega la suficiente energía a los actuadores y estos no responden en el tiempo que se necesita.

3. Describa un procedimiento en ARDUINO capaz de posicionar un panel solar mediante el uso de fotoceldas (diagrama de bloques).

Los factores importantes y consideraciones que se deben tener en un sistema de seguimiento son: 







Factores externos, como la lluvia o el viento. Estos agregan fuerzas externas y una mayor cantidad de trabajo para conseguir realizar el movimiento de posicionamiento. Para el sistema fotovoltaico seguidor de la luz por sensores o fotoceldas, puede ser un impedimento ubicarse frente al sol, cuando este se encuentra bloqueado por una nube. El error en la lectura de los sensores o en el funcionamiento del sistema de control, es una de las causas que conllevan a que las placas no se ubiquen en la posición correcta para que reciban los rayos del sol en forma perpendicular. Por la mala instalación, en el posicionamiento del panel que funciona por medio de las ecuaciones de movimiento solar,

4. ¿Qué sistemas posicionamiento existen, diferentes a los usados en el banco, y

cuál el mejor?

es

SISTEMAS POSICIONAMIENTO En el estado actual de la técnica existen numerosos inventos que satisfacen el objeto de esta invención; seguidores solares para la mejora de la producción de electricidad de las placas fotovoltaicas y/o térmicas, mediante la permanente exposición de las mismas al sol con ángulo de incidencia de los rayos solares de 90º. A modo de ejemplo los siguientes: ES 1 044 310. Este invento describe un seguidor de dos ejes, el de rotación se efectúa girando el poste soporte del panel entorno a un carril circular y la variación angular mediante una bisagra a través de la cual se fija el panel al poste. ES 1 050 814 U. Este invento consta de una plataforma fija definida por un carril circular sustentado por pilares que lo elevan del suelo y lo mantiene a nivel para permitir que una plataforma giratoria situada encima y provista de ruedas gire para orientarse mediante dos motor reductores regulados por una célula fotoeléctrica y un programador horario. ES 1 061 033 U. Este invento consiste en realizar el seguimiento solar en un solo eje inclinado paralelo al eje polar NorteSur de la Tierra. ES 1 061 185 U. Este invento consiste principalmente en la formación de una estructura característica estable portadora de un panel que podrá incorporar distintos tipos de placas solares. Dicha estructura está formada principalmente por dos piezas: un

bastidor base soportado por tres ruedas motorizadas, y que se encuentra estabilizado y anclado en su centro por medio de un eje tubular. Sobre el bastidor base se coloca el bastidor del panel de las placas solares con una corona dentada que hace de cremallera con un piñón motor reductor. ES 1 061 617 U. Este invento trata de un soporte para paneles solares apoyado en una muñequilla con dos ejes de giro. Un eje superior que propicia la orientación este-oeste, que se gira por una palanca, y un eje inferior de inclinación norte-sur que se acciona desde una biela. ES 1 061 938 U. Este invento trata de una instalación de varios paneles dispuestos alineados horizontalmente, orientados al sur, y gobernados desde un actuador que los mueve al unísono girándolos lateralmente de este a oeste, como si de una persiana veneciana se tratase. ES1062111U.Esteinventoserefiereaunsist emadesustentaciónmedianteplataformar odantesobrelasuperficiehorizontal del pavimento. Sobre este pavimento se dispone un eje central sobre el cual gira el conjunto. En la parte central se disponen los pilares y arriostramientos que constituyen las vigas puente para apoyo del bastidor. Sobre la cabeza de los pilares se coloca un bastidor al cual se fija a los paneles solares. ES 1 063 708 U. Este invento consiste en una pieza base anclada al suelo y constituida en soporte del conjunto, que define una pista de rodadura provista de guías en las que se apoyan y desplazan unos conductores de giro asociados a una estructura inferior, disponiendo este conjunto de medios motrices para variar el giro norte-sur con, al menos, una tracción que relaciona dicha pista de rodadura y dicha estructura inferior. Un

eje horizontal, montado en dichaestructurainferiorcondospuntosdea poyoygiroparaunaestructurasuperiorport adoradeloscaptadores, disponiendo este conjunto de medios motrices para variar el giro acimutal con al menos, una tracción que relaciona dicha estructura superior y dicha estructura inferior. ES 1 063 906 U. En este invento el sistema está formado por una plataforma con ruedas motorizadas en sus esquinas que circulan por un pavimento en forma de corona circular y consiguiendo así el giro del seguidor sobre un eje vertical que está anclado mediante cimentación al terreno. Sobre la plataforma se coloca la estructura soporte deleje horizontal, la cual dispone de dos arriostramientos necesarios en todas las direcciones. Sobre el eje horizontal se colocan correas transversales a las cuales quedan fijos a los paneles solares. El giro del seguidor sobre el eje vertical se consigue mediante el movimiento de ruedas motorizadas y el giro sobre el eje horizontal por medio de dos manivela seccionadas por bielas de longitud variable, anclado a la plataforma. ES 1 064 477 U. Este invento se caracteriza porque el eje de giro horizontal se sitúa sobre una viga de celosía que es parte de la estructura soporte y perpendicular a la superficie de rodadura, estando dicha viga de celosía dividida horizontalmente en dos partes iguales por el eje vertical y cada una de estas dispone de una barra superior y una barra inferior conectadas al eje vertical mediante acoplamientos móviles, disponiendo cada uno de los extremos inferiores exteriores de la viga de celosía de al menos una de las citadas ruedas de apoyo sobre la superficie de rodadura.

ES 1 064 516 U. En este invento el sistema está formado por una estructura metálica que se compone de dos cerchas en “V”, sobre las que se coloca una viga puente y una semicercha intermedia. En los extremos de las cerchas se disponen dos ruedas motorizadas y en el de la semicercha una rueda soporte. El conjunto gira alrededor del eje central que se encuentra anclado al terreno mediante la oportuna cimentación. Sobre la viga puente se coloca un eje horizontal formado por dos perfiles separados entre sí para un mejor apoyo de las correas. Sobre el eje horizontal se colocan correas transversales con sistema de fijación deslizante para adaptarse a la longitud de los paneles solares los cuales se introducen por unas guías en dichas correas. El giro del seguidor sobre el eje vertical se consigue mediante el movimiento de las ruedas motorizadas que recorren una pista en forma de corona circular y el giro sobre el eje horizontal por medio de manivelas accionadas por tornillo sinfín anclado a la plataforma. ES 1 064 549 U. En este invento el seguidor solar queda soportado sobre una estructura rodante que gira respecto a un eje vertical, estando dicha estructura soporte del seguidor solar compuesta de un conjunto estructural de vigas metálicas reticuladas. La estructura soporte dispone de un saliente en su parte anterior a modo de nariz que aporta estabilidad al conjunto estructural. El giro del seguidor solar respecto al eje vertical se consigue mediante el uso de ruedas de apoyo de entre las cuales al menos dos serán motorizadas. ES 1 064 577 U. Está formado por una plataforma fija, de la que forma parte un rail o pista circular y unas patas de apoyo en el suelo para nivelación de la pista

circular. También dispone de una plataforma móvil, giratoria alrededor de un eje vertical central concéntrico a la pista circular la cual es portadora de ruedas que descansan en la pista circular. La plataforma móvil incluye una estructura de brazos radiales que se unen a una perfilería. ES 1 058 985 U. Este invento describe un seguidor que comprende un único poste, sobre el que se fija un panel de placas fotovoltaicas, caracterizado porque presenta dos ejes de giro que se mueven mediante sendos motorreductores que controlan de forma independiente el ángulo que el panel forma lateralmente y la inclinación del mismo. ES 1 063 689 U. Este invento se caracteriza por el hecho de comprender un poste fijo sobre el que se dispone un poste pivotante concéntrico y exterior a él formando el sistema de giro, existiendo en el poste fijo una placa que soporta un conjunto sinfín-corona que actúa sobre el poste pivotante, estando dicho conjunto accionado por un motor de CC y que realiza el movimiento azimutal, y una barra de elevación que se encarga del movimiento de inclinación solar mediante un acoplamiento de piñón dispuesto sobre un husillo de acero accionado igualmente por un motor de CC. ES 1 064 540 U. Este invento se caracteriza porque se constituye a partir de dos tubos acoplados axialmente entre sí en disposición vertical, siendo el tubo inferior fijo y de mayor longitud, mientras que el tubo superior va montado giratoriamente y dotado en su extremo inferior de una corona que engrana con un piñón accionado por un moto-reductor dispuesto en un soporte fijado a la superficie lateral del tubo inferior y fijo, determinando el

accionamiento de dicho moto-reductor un giro en azimut del propio seguidor solar. ES 2 219 184 A1. Este invento se caracteriza porque consiste en un conjunto de fácil montaje cuya superficie de captación se encuentra constituida por una estructura a base de vigas soporte que alojan los paneles solares y se vinculan a su vez a vigas perpendiculares entre las que se encuentra una única viga soporte de basculamiento EL MEJOR SISTEMA POSICIONAMIENTO.

DE

Seguidor solar para la orientación de captadores de energía solar accionado por émbolos: Seguidor que se caracteriza porque consiste en dos émbolos neumáticos o hidráulicos (3) y (4), los cuales actúan verticalmente sobre una plataforma (1) que soporta los elementos captadores de energía solar (9), la cual lleva en su parte inferior tres fijaciones articuladas con dos grados de libertad (5) y (2), apoyándose estructuralmente sobre una de ellas (2) a un pilar (7) y a los dos émbolos (3) (4) van fijados por su base al pilar estructural mediante sendas fijaciones articuladas (6). El conjunto de los anteriores permite la oscilación de la plataforma (1) y su orientación espacial. El pilar será un cuerpo rígido y resistente al peso y a las fuerzas laterales del viento.

5. ¿Qué ventajas y desventajas tienen los sistemas de seguimiento solar fotovoltaicos? ¿Debería o no debería usarse este sistema? VENTAJAS Este sistema de seguimiento depende de gran medida del tipo de colector en este caso fotovoltaico, el cual es deseable que este apuntando directo al sol, algo muy sencillo de hacer. Pueden ser utilizados más eficazmente en áreas con horizontes bajos y localidades que son libres sombra de sol a sol todos los días. Ayudan a mejorar las condiciones del planeta DESVENTAJAS Todos ellos cumplen con su objetivo, no obstante, la invención propuesta supone una mejora sobre todos ellos pues simplifica su fabricación, transporte, montaje, maniobra y mantenimiento por lo siguiente:  

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Reduce la cantidad de piezas. Elimina los costosos montajes con motores eléctricos, reductores de velocidad, coronas dentadas, etc. Elimina las costosas y pesadas baterías de acumuladores necesarias para la alimentación de los motores. Almacena la energía necesaria para la maniobra en un simple depósito de aire a presión Simplifica el control reduciéndose el mismo a 4 válvulas electroneumáticas. Simplifica el almacenamiento de energía eléctrica al solamente necesario para la alimentación de la elec-trónica de control. Reduce el mantenimiento

Existen piezas móviles y engranajes que requieren un mantenimiento regular. La reparación o sustitución de piezas rotas, cabe recordar que estas piezas son algo costosas. El sistema se debería usar ya que en general es un beneficio para la vida de nuestro planeta y a la vez generamos ganancia en la parte de gastos energéticos, tendremos una pequeña colmena de energía; cada KW producido por este sistema de seguidor evita la generación del mismo kWh con centrales contaminantes. Y por ende no se generan de emisiones de co2