Seguidor Solar

Octubre de 2010

INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE ARANDAS

PERSONAL

DISEÑO DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA EFICIENTAR LA CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR EN LOS PANELES FOTOVOLTAICOS.

PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL

Magaña Castañeda Humberto. Ramírez Ramírez Juana Isela. Romero Argüelles Adriana de Jesús.

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Contenido Resumen ................................................................................................................. 4 Objetivos ................................................................................................................. 5 Objetivo General .................................................................................................. 5 Objetivos Específicos .......................................................................................... 5 Justificación ............................................................................................................. 6 Fundamento teórico ................................................................................................ 7 Energías Renovables .......................................................................................... 7 Energía limpia ...................................................................................................... 8 Energía solar directa ............................................................................................ 9 Celdas Solares .................................................................................................... 9 Celdas solares amorfas ..................................................................................... 10 Celdas solares cristalinas .................................................................................. 11 Orígenes de las celdas solares.......................................................................... 11 Elaboración de las celdas solares ..................................................................... 12 Funcionamiento ................................................................................................. 14 Diseño del seguidor solar. ..................................................................................... 17 Metodología........................................................................................................... 17 Recursos empleados ......................................................................................... 18 Diseño Electrónico ................................................................................................ 19 PIC555 ............................................................................................................... 20 Relevadores....................................................................................................... 20 Microswitch ........................................................................................................ 20 Batería ............................................................................................................... 20 Algoritmo de funcionamiento ............................................................................. 21 Diseño Mecánico ................................................................................................... 21 Eje ..................................................................................................................... 21 Soportes ............................................................................................................ 21 Poleas ................................................................................................................ 22

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Moto-reductor .................................................................................................... 22 Modulo Fotovoltaico ........................................................................................... 22 Sujeción ............................................................................................................. 23 Fijación .............................................................................................................. 23 Motor ................................................................................................................. 23 Movimiento del Módulo ...................................................................................... 23 Ventajas y Desventajas del Seguidor solar. .......................................................... 24 Ventajas ............................................................................................................. 24 Desventajas ....................................................................................................... 25 Cálculo del ángulo de giro óptimo del modulo fotovoltaico .................................... 26 Latitud ................................................................................................................ 26 Longitud ............................................................................................................. 26 Angulo Anual ..................................................................................................... 27 Angulo de los trópicos ....................................................................................... 27 Determinación de la posición del sol ................................................................. 27 Ángulos representativos de la posición del sol .................................................. 28 Angulo de giro optimo del modulo fotovoltaico .................................................. 29 Vector normal al modulo fotovoltaico ............................................................. 29 Dirección de los rayos solares ....................................................................... 31 Angulo optimo de inclinación.......................................................................... 32 Experiencias de práctica de prueba ...................................................................... 33 Conclusiones ......................................................................................................... 34 Bibliografía ............................................................................................................ 35

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Resumen

El seguidor solar es un aparato tecnológico, cuya es aumentar la producción de los paneles fotovoltaicos y otros dispositivos de concentración por medio de sistemas mecánicos hidráulicos, eléctricos y electrónicos que siguen la trayectoria del sol como lo haría un girasol, captando de este modo la máxima radiación solar durante el mayor tiempo posible. Está conformado básicamente por: una estructura de metal en la cual se puede montar el panel fotovoltaico ó cualquier otro dispositivo usado para captar la radiación solar (estructura física); un mecanismo constituido por un reductor de velocidad acoplado a un motor de bajo consumo de energía (estructura mecánica) y; un circuito compuesto por microcomponentes de bajo costo, entre ellos transistores y

elementos

fotosensibles que son dispositivos fabricados específicamente para esa función y por lo tanto son los más aptos para ejecutarla (estructura electrónica). Debido a que este aparato tecnológico (seguidor solar) se orienta hacia el sol, las paredes fotovoltaicas se encuentran todo el día dirigidas directamente contra el sol y así notablemente aumenta su rendimiento. Por ende un seguidor solar

puede optimizar el aprovechamiento de la

energía no sólo en regiones con una larga duración de radiación solar sino en cualquier región.

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Objetivos

Objetivo General Fabricar un mecanismo capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares para optimizar la captación de energía y que a su vez puedan ser usados en todas las tecnologías de seguimiento solar.

Objetivos Específicos Diseñar

un sistema mecánico sencillo de instalar, robusto, fácil de

implantar y de bajo costo. Optimizar el uso del seguidor solar con el fin de obtener un máximo almacenamiento de energía irradiada por el sol en un banco de poder. Impulsar la cultura del uso de energías renovables o verdes que coadyuven al ahorro de energías no renovables (o combustibles fósiles como: petróleo, carbón y gas natural).

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Justificación

Hoy en día el consumo de energía se ha vuelto un factor básico para muchos aspectos de la actividad y el progreso. Por ende, la energía es imprescindible para el progreso de un país, tanto es así que la tasa de consumo energético está muy relacionada con el grado de desarrollo económico. Esta es la razón por la cual las energías renovables, o verdes, están siendo muy demandadas ya que su utilización no produce emisiones contaminantes para el medio ambiente y se obtienen a partir de fuentes naturales que son virtualmente inagotables, siendo el sol la más importante de ellas. Gracias a esta alternativa se prevé para un futuro no muy lejano una creciente disminución en la dependencia de las fuentes tradicionales de energía obtenidas a partir de combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). Pero para ello debemos continuar fomentando la necesidad que tenemos de utilizar este tipo de energías, ya que así podremos mantener nuestro planeta en armonía y, por consiguiente la extensión de las condiciones favorables para permanecer habitable a largo plazo.

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Fundamento teórico

Energías Renovables

Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las energías renovables se cuentan la energía hidroeléctrica, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, la biomasa y los biocombustibles. Un concepto similar, pero no idéntico es el de las energías alternativas: una energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de renovación. Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la del sol, son buenos ejemplos de ello. Hoy en día, México produce 91% de su energía utilizando combustibles fósiles, tales como el carbón, el gas y el petróleo. Esta dependencia hacia los combustibles derivados de fósiles ha provocado con el paso del tiempo que la calidad del aire vaya disminuyendo, aunado a la contaminación de ríos, mares y suelos nacionales, los cuales toman parte de la responsabilidad del calentamiento global.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Nuestro

país

cuenta

con

un

enorme

potencial

para

un

buen

aprovechamiento de las energías renovables, si apoyamos este potencial que poseemos podremos contribuir con la atenuación de los impactos ambientales ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía utilizadas convencionalmente.

Energía limpia

Cabe señalar y poner a consideración el señalamiento de un posible “paradigma” que separa las definiciones entre energías renovables y energías limpias, esto es: El hidrógeno es un combustible muy limpio. Se quema y produce sólo agua. Pero no es en sí mismo una fuente de energía renovable. No hay hidrógeno puro en nuestra atmósfera. Hay que extraerlo de algún sitio, normalmente del agua. Si producimos hidrógeno con una fuente de energía no renovable, no podemos decir que el hidrógeno sea realmente “una energía limpia”. La biomasa es un combustible “sucio”. Cuando quemamos leña estamos añadiendo a la atmósfera COx, NOx, SOx, partículas inquemadas, etc. Estamos contaminando, pero se trata de una energía renovable. La energía liberada al quemar madera, es energía que un árbol tomó del Sol mediante la fotosíntesis. Los contaminantes que lanzamos a la atmósfera serán absorbidos por otro árbol para generar más madera. Cerrando este ciclo, no añadimos ni quitamos nada, por eso es un proceso “renovable”. Utilizar energía renovable, implica una trasformación energética para un uso humano, que no añade ni resta energía al medio. Por supuesto, para que la biomasa pueda ser considerada “renovable” es imprescindible que se permita a las plantas y los bosques crecer al mismo ritmo

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. que se les corta o poda. Otro ejemplo es el hueso de la aceituna o los restos de poda: se trata de un proceso periódico y natural. Decimos que las energías renovables son “virtualmente inagotables”, porque mientras haya sol, los planetas se muevan o haga calor en el centro de la tierra, seguirá habiendo energía renovable.

Energía solar directa

La energía solar directa es el resultado del proceso de fusión nuclear que da lugar en la superficie del sol. Tomando en cuenta la cantidad de energía que genera este proceso, la tierra recibe menos de una millonésima parte, de la cual proporcionalmente con el tamaño de nuestro planeta es una gran cantidad de energía. La radiación solar que es percibida por la superficie terrestre puede ser transformada en energía eléctrica y/o calorífica, y que puede ser utilizada de manera directa como energía para la producción de vapor (Solar Térmica) y para la generación de energía eléctrica (Solar Eléctrica). Dicho lo anterior, en un año, el sol proporciona a la tierra la energía equivalente a 60 millones de toneladas de petróleo, por lo que de acuerdo a la Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), si se lograra convertir tan solo el 1% de tal energía en energía eléctrica, podríamos producir el equivalente a la electricidad utilizada en todo el territorio mexicano durante el año de 1996. Celdas Solares

Una celda solar o celda fotovoltaica es un instrumento que genera electricidad directamente de la luz visible, debido al efecto fotovoltaico. Para poder

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. generar energía útil, se deben interconectar un cierto número de celdas para formar un panel solar, también conocido como un módulo fotovoltaico. Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de 12 voltios, los cuales se pueden utilizar de manera independiente o como conjunto en una red. El número de celdas solares o el tamaño del panel solar lo determina la cantidad de luz disponible, y la energía requerida. La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la cantidad de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está determinado por el clima y la hora del día. En la mayoría de los casos resulta necesario almacenar la energía generada, para así hacer mejor uso de las celdas solares. Es posible conectar una red o arreglo de paneles de energía solar, conformados por celdas solares o celdas fotovoltaicas, a la red eléctrica para asistir a los paneles solares cuando la energía requerida es mayor a la energía generada. Estos costos pueden recuperarse al vender los excedentes de energía producidos a la compañía eléctrica. Las celdas solares generalmente están hechas a base de silicón, el mismo material que se utiliza para transistores y circuitos integrados. El silicón es tratado para que cuando le llegue la luz, se liberen los electrones, generando una corriente eléctrica. Celdas solares amorfas

La tecnología amorfa es comúnmente utilizada en los paneles solares pequeños, como en las calculadoras y lámparas de jardín, aunque cada vez son más usadas para paneles de mayor tamaño. Están conformadas de una película de Silicón depositada sobre otra lámina de materiales como el acero. El panel se forma de una sola pieza y las celdas individuales no son tan visibles como en otro tipo de paneles. La eficiencia de los

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. paneles solares de celdas amorfas no es tan alta como la de aquellos paneles conformados por celdas solares individuales.

Celdas solares cristalinas

Las celdas solares cristalinas se interconectan unas con otras para formar paneles solares. Cada celda solar produce un voltaje individual de 0.5 a 0.6 volts, se requieren 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas para producir un circuito abierto de cera de 20 volts. El cual es suficiente para cargar una batería de 12 volts. Las celdas solares monocristalinas, se cortan de una sola pieza de cristal de silicón, mientras que las celdas solares policristalinas se hacen a base de múltiples cristales. La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de producir trabajo útil.

Orígenes de las celdas solares

Aunque las celdas solares eficientes han estado disponibles recién desde mediados de los años 50, la investigación científica del efecto fotovoltaico comenzó en 1839, cuando el científico francés, Henri Becquerel descubrió que una corriente eléctrica podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas soluciones químicas.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. El efecto fue observado primero en un material sólido (el metal selenio) en 1877. Este material fue utilizado durante muchos años para los fotómetros, que requerían de cantidades muy pequeñas de energía. Una comprensión más profunda de los principios científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y Schottky en 1930, la cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes pudieran ser confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la luz solar que incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin, Pearson y Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos especializados tales como satélites orbitales a partir de 1958. Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre ellas de cerca del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc.).

Elaboración de las celdas solares

Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas (wafers) monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Las planchas monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente 1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta. Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la estructura cristalina resultando del proceso de moldeo. En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se pierde como polvo durante el cortado. El silicio amorfo, una de las tecnologías de lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran conveniencia para aplicaciones grandes. En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura, donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir durante la deposición de las láminas o de las capas. Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3 electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5 electrones de valencia, generalmente fósforo. Una vez que se crea una unión p-n,

se

hacen

los contactos

eléctricos

al

frente y en la parte de

posterior la

célula

evaporando pintando metal

o con la

plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal, pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.

Funcionamiento

Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.

La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por: El tipo y el área del material La intensidad de la luz del sol La longitud de onda de la luz del sol Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no

pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material. Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las del silicio monocristalino. Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida también será disminuida a la mitad). Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por centímetro cuadrado del área de la célula. La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula. Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el diselenide de cobre e indio (CuInSe2) y teluo de cadmio (CdTe) y silicio amorfo como materia prima.

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Diseño del seguidor solar.

Metodología

Para la realización del seguidor solar se debe proceder al desarrollo de los siguientes pasos, los cuales nos darán cada vez las pautas a seguir para el correcto desempeño del mismo. En primera instancia se analiza la existencia de seguidores solares de cualquier tipo alcanzable dentro del mercado competitivo más cercano, encontrando solamente seguidores de venta en internet y haciendo su adquisición vía paquetería, por lo que no se contó con la oportunidad de analizarlos de forma presencial. Una vez realizada esta tarea se debe proceder a identificar cuáles son las características distintivas o de valor para cada tipo de seguidor. Alcanzado el

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. punto referencial, se debe considerar la proyección del diseño de un modelo que presente ventajas de desempeño, mayor economía en algún aspecto y en esencia que sea un diseño más robusto e íntegro. En este seguidor solar se implementará la utilización de un PIC555, el cual será el encargado de realizar la tarea de comparación entre las diferentes lecturas de resistencia que arrojarán dos fotoceldas situadas en la parte superior del eje y al lado del área efectiva. Asimismo se necesitará la elaboración de un “puente h” para invertir las polaridades del motor de corriente directa y otros componentes del sistema que realizarán tareas diversas dentro del circuito electrónico. Otra parte básica y complementaria del diseño seguidor solar aquí proyectado, es la parte mecánica, la cual se encarga de realizar los movimientos necesarios para promover la maximización de la eficiencia. Esta parte se encuentra conformada por un moto-reductor que se encarga de reducir de manera considerable las revoluciones del motor de corriente directa, donde una vez que este gira transmite por medio de fricción un torque hacia una polea situada en el eje del modulo solar. Una vez finalizado y montado el diseño electrónico y mecánico es cuestión de montaje del sistema completo en su área proyectada de trabajo, donde al inicializar el sistema realiza por sí mismo una búsqueda inicial de comparación de intensidad luminosa.

Recursos empleados

Para la realización del seguidor solar proyectado y ejecutado por el equipo de investigación, fueron efectuados algunos bocetos a mano alzada que abrieron las expectativas y el análisis de áreas de oportunidad para la mejora del diseño, mostrando problemas de distancias, espacios y limites de movimiento que llevan

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. consigo tiempo y desgaste tanto de materiales como de mano de obra al ser errores cometidos. El desarrollo de todo trabajo de materiales fue realizado en el taller pesado del Instituto Tecnológico Superior de Arandas, contando con toda la herramienta ahí facilitada y con toda la asesoría que pudiese ser requerida por el equipo desarrollador. La parte teórica ha sido desarrollada en las diversas aulas del instituto anteriormente mencionado, aprovechando los recursos que emplean los docentes del instituto y libros de la biblioteca escolar.

Diseño Electrónico

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. PIC555 Básicamente este circuito integrado realiza la tarea de comparador de voltaje, cotejando los voltajes mediante las dos fotorresistencias que captan la sensibilidad luminosa y variando una resistencia que reduce el voltaje que llega al circuito integrado, donde una vez comparado genera un pulso que pueda mover positiva o negativamente el modulo fotovoltaico.

Relevadores Los relevadores realizan la tarea de más “peso” en el circuito electrónico, ya que son los encargados de manejar la tensión plena que se manda al motor (12VDC) activado por un pulso que puede ser manejado a partir de los 3.5 VDC. Estos dos relevadores en conjunto suelen ser conocidos como “Puente h” los cuales hacen una tarea de invertir las dos polaridades con las que trabaja el motor de corriente directa, permitiendo funcionar a manera positiva tanto como negativa.

Microswitch Los microswitch’s realizan la tarea de limitantes, siendo los que limitan los movimientos angulares del modulo, siendo topes para que el modulo no abra o cierre de mas y activadores/desactivadores de los movimientos angulares. Estos microswitch’s pueden ser de distintas formas y capacidades, no afectando la funcionalidad del proyecto. Batería Esta batería funciona como un banco de poder que mantiene al equipo probando constantemente a manera de milisegundos para proveer los movimientos angulares para el incremento de la captación solar, pudiendo ser recargada por la generación del mismo módulo, o manteniendo una carga totalmente independiente al mismo.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Algoritmo de funcionamiento El diseño de este sistema electrónico debe respetar una cadena para su funcionamiento, siendo la siguiente:

Diseño Mecánico Eje El eje del proyecto seguidor ha sido elaborado de una barra de acero al carbón de 3/8” con terminado en cromo al vanadio, ofreciendo una solidez firme y estética limpia con resistencia al oxido y corrosión. Soportes Los soportes de la barra que funge como eje, así como de los soportes que rodean en él mismo soportando el modulo han sido elaborados con solera de aluminio de ½”x1/8”, las cuales dan la macicez esperada y reducen el peso en contraste con solera de acero al carbón, aunado a la estética y resistencia al oxido y corrosión.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Poleas Las poleas diseñadas para este proyecto seguidor solar han sido elaboradas objetivamente para el proyecto con la ayuda de una maquina de torno, siendo una polea de 2 ½” con una liga intermedia en su circunferencia y otra polea de 1” que funciona por medio de transferencia de torque mediante fricción entre las mismas. Moto-reductor El moto-reductor funge como convertidor inversamente proporcional entre las revoluciones y el torque, reduciendo la cantidad de vueltas que genera el motor y convirtiéndola en una cantidad menor de vueltas y a su vez aumentando la potencia para mover con mayor facilidad el o los módulos instalados.

Modulo Fotovoltaico El modulo fotovoltaico puede ser de diversas potencias, tensiones, formas y estructuras, para lo cual el presente proyecto ha sido trabajado con un modulo policristalino CNPV-10M, el cual posee una tensión de trabajo de 12 VDC y las siguientes características: Tensión de trabajo: 12VDC Potencia nominal máxima: 10WP Tolerancia de poder ±5% Tensión máxima (VMP): 18v Corriente máxima (IMP): 0.56A Voltaje en circuito abierto (VOC):22.5v Corriente en corto circuito (ISC): 0.62ª

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Sujeción La sujeción de los diferentes componentes del sistema ha sido realizada mediante diferentes materiales y accesorios, de los cuales podemos señalar como pijas, tornillos, silicón, pegamento, etc. Poniendo a consideración del instalador y del área a posicionar los materiales más adecuados para su fijación, poniendo a criterio la máxima duración del equipo.

Fijación La fijación al sitio de trabajo debe ser considerada mediante taquete de expansión y/o taquete estándar, ya que el equipo seguidor debe contar con una fijación que no permita que vientos menores a 80km/h influyan en su funcionamiento. Motor El motor proyectado para el correcto funcionamiento y desempeño del seguidor solar es un motor de 12 Voltios que trabaje con corriente directa, puesto que este tipo de motores trabaja mediante pulsaciones y con velocidades regulables y/o variables que permitan que el seguidor pueda desempeñar su labor de manera optima. Movimiento del Módulo El movimiento del modulo fotovoltaico mediante este seguidor solar especifico es un movimiento angular en torno al eje de sujeción que mantiene al modulo, por lo que este se debe posicionar cuidadosamente centrado a la mitad para mantener un movimiento equilibrado y correcto a la hora de posicionarse perpendicularmente hacia los rayos solares.

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Ventajas y Desventajas del Seguidor solar.

Ventajas

Un seguidor solar es una máquina autómata diseñada por el hombre que cuenta con una parte fija y otra móvil que dispone de una superficie de captación solar lo mas perpendicular al sol posible a lo largo del día y dentro de sus rangos de movimiento que le permiten aumentar la eficiencia o rendimiento productivo a la pantalla fotovoltaica mediante su área efectiva. Dicho esto, y como todo en la ciencia y en la vida, tiene sus puntos a favor, así como sus contras que se presentaran en líneas posteriores. Una de las ventajas más notables para un seguidor solar autómata es la incrementación de la eficiencia para la producción de energía eléctrica, postrando los módulos fotovoltaicos perpendiculares al sol el mayor tiempo posible para el mayor aprovechamiento del ciclo solar.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. La tabla anterior muestra en esencia una comparativa breve entre la producción solar de energía mediante un módulo fijo (Expresada en

KWh

/diaM2) y

un módulo de mismas características pero con un seguidor solar agregado, obteniendo los respectivos porcentajes de eficiencias contrastadas mensualmente. El mantenimiento de este tipo de equipos es meramente mínimo, puesto que el motor y sus componentes electrónicos que puedan ser más susceptibles a la lluvia e intemperie se encuentran protegidos por el modulo mismo y por el diseño de sus respectivos medios de cuidado. Asimismo, el equipo de investigación objeta en el desarrollo del seguidor aquí expuesto, el cual posee una ventaja competitiva en contraste con la mayoría de otros seguidores en el mercado, los cuales son programables para seguir una trayectoria con respecto del día, la hora y la estación del año, en comparación con el seguidor aquí presentado, el cual realiza puntos de comparación luminosa con respecto de la trayectoria del eje lineal al que obedece, llevando a cabo pequeños movimientos bidireccionales que posicionan el área efectiva de captación en el punto con mayor índice luminoso.

Desventajas

El seguidor solar al cual objeta el presente documento posee ciertas características no muy favorables para el correcto desempeño del mismo, para lo cual los desarrolladores consideran que son desventajas aglomeradas que no pueden presentarse en situaciones comunes, sino solo en situaciones específicas. La primera desventaja que posee el seguidor solar aquí desarrollado es mediante la radiación difusa en días nublados, para lo cual el funcionamiento comparador del seguidor simplemente ubicara el panel al mayor punto luminoso, no existiendo un claro panorama para ubicarlo en algún modo de seguridad.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Por otra parte siguiente desventaja con la cual todos los seguidores cuentan es la dependencia del banco de baterías, ya que el motor que se utiliza requiere la tensión y la corriente que una batería aparte, la cual si no puede ser cargada por un tiempo considerable puede ocasionar problemas técnicos.

Cálculo del ángulo de giro óptimo del modulo fotovoltaico

Latitud Representa la distancia angular existente entre un determinado punto de la superficie terrestre y el Ecuador, medida a lo largo del meridiano que pasa por ese punto (por el camino más corto). Se mide en grados, entre -90° y 90°; los valores negativos corresponden al hemisferio Sur y los positivos, al Norte. En esta ocasión se tomará la latitud de Arandas, Jalisco. México: 20º54'30"N

Longitud Expresa la distancia angular entre un punto determinado de la superficie terrestre y el meridiano que se tome como meridiano de origen, medida a lo largo de un paralelo (una circunferencia de latitud constante). Actualmente se emplea como origen el meridiano de Greenwich que se define como la semicircunferencia imaginaria que une los polos y pasa por el antiguo observatorio de Greenwich (Londres). Se expresa en grados, entre -180° y 180°, siendo positivo hacia el Oeste. En esta ocasión se tomará la longitud de Arandas, Jalisco. México: 102º00'45"O.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Angulo Anual Este ángulo se obtiene multiplicando el número de días transcurridos desde el último Solsticio de invierno por 360° y dividiéndolo por el número de días que tiene el año, es decir 366 si es bisiesto y 365 si no lo es. Como Solsticio de invierno se toma el del hemisferio Norte: el 21 de diciembre. El ángulo anual es una medida aproximada de la posición de la Tierra en su órbita alrededor del Sol.

Angulo de los trópicos

Se refiere a la latitud de los trópicos en valor absoluto, es de 23°5’ Norte.

Determinación de la posición del sol

El vector posición del Sol representa las coordenadas de un unitario en la dirección del Sol con respecto al Este, al Sur y a su altura, en un punto de la superficie Solar en un momento genérico.

Siendo los distintos parámetros los ángulos que, se han explicado anteriormente:

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. δ: ángulo horario β: longitud

α: latitud φ: ángulo de los trópicos

γ: ángulo anual Se define el ángulo ϕ como: sen(ϕ )=sen(φ)−cos(γ), representa el ángulo de inclinación de los rayos Solares respecto a la perpendicular al Ecuador en ese momento del año.

Ángulos representativos de la posición del sol

Se van a utilizar un ángulo horizontal θH y otro vertical θV para definir la posición del Sol. El primero es la orientación de la proyección de la posición del Sol, mientras que el segundo mide la inclinación respecto a la horizontal de la posición Solar. El ángulo horizontal tiene como referencia el Norte y va en sentido horario, es decir en el Norte = 0°θH y en el Este = 90°θH. La referencia del ángulo vertical es la horizontal con = 0°θV, mientras que = 90°θV en la vertical. Se calculan estos ángulos para una posición solar cualquiera con la ayuda del vector posición del Sol:

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Angulo de giro optimo del modulo fotovoltaico

En este apartado se va a calcular el ángulo óptimo en el que tiene que estar el modulo fotovoltaico en cada momento para conseguir que la captación de energía Solar por el panel sea máxima. Vector normal al modulo fotovoltaico

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. En la figura anterior se representa el modulo fotovoltaico por la línea azul (visto de canto), este tiene una inclinación i respecto al suelo (plano xy). El vector n es normal al panel Solar y, éste tiene que ser lo más perpendicular posible a los rayos Solares para que la captación de energía Solar sea máxima. Para realizar los cálculos se ha escogido el sistema de coordenadas x’y’z’ que tienen la relación siguiente con el sistema xyz:

En primer lugar se obtienen las coordenadas en el sistema x’y’z’ del vector normal al panel Solar si éste ha girado r grados:

n'= (−cos(r);−sen(r);0)

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Se toma r positivo en sentido horario y negativo en sentido antihorario según lo dibujado, mirando el panel desde el lado elevado. Expresado en el sistema de coordenadas x, y, z:

Dirección de los rayos solares

Para calcular la relación inversa que nos permita obtener las coordenadas a partir de los ángulos horizontal y vertical, resulta de utilidad un vector auxiliar horizontal que pertenece al plano xy, que corresponde al suelo del lugar en el que se vaya a instalar el seguidor solar. Este vector es la proyección del vector unitario de posición solar sobre el plano xy. Tiene una longitud cos(θV) y una orientación θH.

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|Instituto Tecnológico Superior de Arandas. Se define el vector s referido al sistema de coordenadas xyz que representa la dirección de los rayos Solares:

Angulo optimo de inclinación Para minimizar el ángulo entre los vectores n y s, ya que queremos que sean lo más paralelos posible, se maximiza el producto escalar entre los dos.

El ángulo de giro óptimo del panel Solar para un momento cualquiera del día queda finamente expresado como:

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Experiencias de práctica de prueba

Experiencia 1: La primera prueba realizada por el equipo de investigación se percato que la liga con la cual se transmitían el movimiento por fricción entre las dos poleas era bastante delgada y no presentaba la fuerza necesaria para el movimiento del panel y se cambio por una de un diámetro mayor. Experiencia 2: El moto-reductor no estaba bien fijado en la base, lo cual provocaba movimiento brusco e inestabilidad en el giro del panel, le colocamos una abrazadera de la parte central y se logró la estabilidad. Experiencia 3: La altura asignada al seguidor solar fue muy corta por lo tanto no se apreciaba el movimiento pleno y se optó por extenderlo 8 cm más. Experiencia 4: Los microswitch se encontraban alejados del panel y el espacio que se tenía para montarlo era pequeño, se tuvieron que aumentar los límites de seguridad recorriendo los microswitch. Experiencia 5: El seguidor solar funcionó como se esperaba pero le faltaba un poco de color y combinación con el panel y los cables del circuito, por lo tanto se barnizó de color gris industrial para que brindara mejor aspecto.

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Conclusiones

Después de trabajar arduamente en el presente proyecto se puede concluir que los objetivos marcados al inicio del trabajo se cumplieron de forma satisfactoria. Primero que nada porque se consiguió la implementación del sistema mecánico sencillo y económico de un seguidor solar y con un diseño robusto por las piezas metálicas que lo conformaron pero a la vez flexibles. Por la otra parte se logró un funcionamiento correcto, tanto en la parte electrónica como la mecánica que contenía piezas moldeadas y maquinadas; fabricadas y adaptadas por el mismo equipo de investigación, logrando que las piezas fueran de bajo costo pero con buena calidad. A partir de la presentación del seguidor solar a la comunidad Arandense se impulsó la cultura del uso de las energías renovables ya que muchos carecían de la información necesaria y aplicación de los paneles solares, a un más del funcionamiento de un seguidor solar. Por último cabe hacer mención que durante las horas invertidas en el presente trabajo de investigación se aprendió que las partes componentes del sistema fueron económicas gracias al diseño que se realizó para la elaboración del proyecto.

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Bibliografía

Hamilton H., M., & F. Reinholtz, C. (2004). Trenes de engranes. En Mecanismos y dinámica de maquinaria (págs. 279-310). México D.F.: Limusa wiley. Ogata, K. (2003). Diseño de sistemas de Control en el espacio de estados. En Ingeniería de Control Moderna. (págs. 826-897). España: PRENTICE HALL.

EPIA

(European Photovoltaic Industry Association). Global Market Outlook for

photovoltaics until 2013. Feina S.L. Manual de la instalación del seguidor Solar. www.tracker.cat La Quiuz Energías renovables. Técnica empleada en las instalaciones fotovoltaicas. www.laquiuz.es Isidoro Martínez. Termodinámica de la atmósfera. Empresa Meca Solar. www.mecaSolar.com

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