Tesis Seguidor Solar

´ INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER´IA Y TECNOLOG´IAS AVANZADAS

Trabajo Terminal II “Prototipo de dispositivo orientador para el aprovechamiento de la radiaci´ on solar*”

Que para obtener el t´ıtulo de

“Ingeniero en Mecatr´ onica”

Presentan:

C. Juan Manuel Carrillo Moreno C. Daniel Gasca Garc´ıa

Asesores:

M. en I. Diego Alonso Flores Hern´ andez Dr. en C. Alberto Luviano Ju´ arez Diciembre 2012

´ INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN INGENIER´IA Y TECNOLOG´IAS AVANZADAS

Trabajo Terminal II “Prototipo de dispositivo orientador para el aprovechamiento de la radiaci´ on solar*” Que para obtener el t´ıtulo de

“Ingeniero en Mecatr´ onica” Presentan:

C. Juan Manuel Carrillo Moreno

C. Daniel Gasca Garc´ıa

Asesores:

M. en I. Diego Alonso Flores

Dr. en C. Alberto Luviano

Hern´andez

Ju´arez

Presidente del Jurado

Profesor titular

M. en C. Jes´ us Mares

M. en C. Armando Fabian

Carre˜ no

Lugo Pe˜ naloza

∗Este proyecto esproducto de la investigaci´ on del proyecto P ICSO11 − 23 del ICyT DF

Se agradece al Instituto de Ciencia y Tecnolog´ıa del Distrito Federal por haber apoyado el desarrollo de este trabajo terminal derivado del proyecto con registro PICSO11-23 denominado: Reciclado de residuos s´olidos de aleaciones de Aluminio mediante concentradores solares

iii

A mis padres que han sido un gran apoyo en la consecuci´on de este logro. A la memoria de mis abuelos. A mis amigos de la vocacional, universidad y a quienes me han apoyado en mi vida acad´emica, personal y cualquier otra cosa que se me escape. Al IPN por haberme otorgado una educaci´on de alta calidad, as´ı como a todos los trabajadores, profesores y dem´as personas que laboran en esta instituci´on. Al ICyTDF, por creer en el talento de los estudiantes del IPN. As´ı mismo agradezco al pueblo de M´exico por darme una identidad como profesional, ya que, como es bien sabido, mi fin u ´ltimo es poner la t´ecnica al servicio de la Patr´ıa. Daniel Gasca Garc´ıa

v

´Indice

1. Introducci´ on

I

1

1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1.1. Desarrollo de un crematorio solar en India . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.1.2. Horno solar de Odeillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.1.3. Solar Sinter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.2. Justificaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

1.3. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.4. Objetivos espec´ıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

1.5. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

1.6. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Panorama General

9

2. Marco te´ orico

11

2.1. Radiaci´ on solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.2. Concentradores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2.1. Espejo curvo para concentraci´on del luz solar . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2.2. Lentes de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3. Posici´ on del Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

vii

´INDICE

2.4. Metodolog´ıa para el dise˜ no de ejes de transmisi´on . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.5. Sistema mecatr´ onico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.6. Especificaci´ on del dise˜ no de producto (PDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

2.7. An´ alisis morfol´ ogico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

2.8. Tabla de decisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.9. Selecci´ on de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

2.10. Selecci´ on de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

II

Desarrollo

25

3. Dise˜ no

27

3.1. An´ alisis funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.2. PDS del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.3. B´ usqueda de la posici´ on solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.1. M´etodo de lazo abierto

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.2. Etapa en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.3.3. Desarrollo del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.3.4. Integraci´ on sin´ergica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.3.5. Selecci´ on de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.4. Concentrador solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.4.1. Selecci´ on del tipo de concentrador solar . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.4.2. C´ alculo de temperatura te´orica usando una lente de Fresnel . . . . . .

34

3.4.3. Caracter´ısticas del lente de Fresnel a utilizar . . . . . . . . . . . . . .

35

3.5. Dispositivo de enfoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.5.1. An´ alisis de dispositivo de enfoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.5.2. Dise˜ no de transmisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

3.6. Dispositivo de elevaci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.6.1. An´ alisis de dispositivo de elevaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.6.2. Dise˜ no de transmisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

3.7. Dispositivo Azimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

3.7.1. An´ alisis de dispositivo Azimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

48

viii

IPN

Ing. Mecatr´onica

´INDICE

3.7.2. Dise˜ no de transmisi´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.8. An´ alisis de sistema de alimentaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

3.8.1. Selecci´ on del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

3.8.2. Selecci´ on de celdas solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

3.8.3. Circuito de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

3.8.4. Selecci´ on de bater´ıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.8.5. Selecci´ on de controlador de carga y regulador . . . . . . . . . . . . . .

55

III

Validaci´ on

59

4. Construcci´ on del prototipo

61

4.1. An´ alisis de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

61

4.2. An´ alisis de mecanizado de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

4.3. Plan de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

4.4. An´ alisis mediante elemento finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

4.5. An´ alisis mediante ANSYS 13.0® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

4.6. Construcci´ on f´ısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

5. Pruebas

83

5.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6. An´ alisis de costos

83 85

6.1. Costos de producci´ on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

Conclusiones

89

Glosario

91

IV

93

Ap´ endices

Ap´ endice A: Selecci´ on del concepto .1.

95

Selecci´ on del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

95

ix

´INDICE

Ap´ endice B: Selecci´ on de materiales

101

Ap´ endice C: Planos

103

Ap´ endice D: C´ odigo para AVR

105

Anexo A: Radiaci´ on promedio anual

111

Bibliograf´ıa

113

x

IPN

Ing. Mecatr´onica

´Indice de figuras

1.1. Montaje experimental para la cremaci´on solar en Baroda, India. Posee dos ejes de libertad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.2. Horno solar de Odeillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

1.3. Arreglo de espejos planos orientables (configuraci´on de espejos). . . . . . . . .

3

1.4. Receptor de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

1.5. Pieza sinterizada a partir de arena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.6. Dispositivo solar sinter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

1.7. Mecanismo del dispositivo Solar sinter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.1. La constante de radiaci´ on eletromagn´etica solar. . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.2. Esquema de un espejo c´ oncavo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3. Construcci´ on de una lente de Fresnel.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.4. Comparaci´ on entre la lente convexa y la lente de Fresnel. . . . . . . . . . . .

14

2.5. Trayectoria del Sol de verano a invierno y viceversa. . . . . . . . . . . . . . .

15

´ 2.6. Angulos de elevaci´ on y azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.7. Elementos clave de un sistema mecatr´onico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

18

2.8. Mapa de propiedades de los materiales (ejemplo). . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.1. Diagrama funcional del dispositivo orientador solar.

27

. . . . . . . . . . . . . .

3.2. Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito l´ogico. 31

xi

´INDICE DE FIGURAS

3.3. Ubicaci´ on de las fotorresistencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.4. Algoritmo utilizado para buscar la posici´on del Sol. . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.5. Mecanisomo de enfoque (CAD). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

35

3.6. Mecanismo de husillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

3.7. Lente de Fresnel sobre una estructura de elevaci´on controlable. . . . . . . . .

38

3.8. Curva caracter´ıstica del motor a pasos nema23. . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

3.9. Comportamiento deseado en el movimiento del motor. . . . . . . . . . . . . .

39

3.10. Eje del mecanismo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

3.11. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano horizontal en eje del mecanismo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

3.12. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano vertical en el eje del mecanismo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

3.13. Distribuci´ on de fuerzas y reacciones en el eje del mecanismo de elevaci´on del

xii

dispositivo (plano horizontal). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

3.14. Curva caracter´ıstica del motor nema34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.15. Alimentaci´ on del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

49

3.16. Sistema de alimentaci´ on del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . .

52

3.17. Celda solar Eplus-90 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

3.18. Tarjeta para control de motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

54

3.19. Bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

55

3.20. Controlador de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.21. Dispositivo orientador completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

3.22. Mecanismo azimutal del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

3.23. Mecanismo de elevaci´ on del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . .

57

3.24. Base del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

3.25. Dispositivo completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

4.1. Plan de ensamble del marco de la lente de Fresnel. . . . . . . . . . . . . . . .

66

4.2. Eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

4.3. Deflexi´ on del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

68

4.4. Primer modo de vibraci´ on del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . .

69

IPN

Ing. Mecatr´onica

´INDICE DE FIGURAS

4.5. Segundo modo de vibraci´ on del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . .

69

4.6. Tercer modo de vibraci´ on del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . .

70

4.7. Deformaci´ on del eje del dispotivo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

4.8. Deformaci´ on del eje del dispotivo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . .

71

4.9. Primer modo de vibraci´ on del eje del dispotivo de elevaci´on. . . . . . . . . . .

72

4.10. Segundo modo de vibraci´ on del eje del dispotivo de elevaci´on. . . . . . . . . .

73

4.11. Tercer modo de vibraci´ on del eje del dispotivo de elevaci´on. . . . . . . . . . .

73

4.12. Maquinado de ejes en el torno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

4.13. Operario en el torno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

74

4.14. Eje con tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

4.15. Eje con engrane y corona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

4.16. Placa de uni´ on con la estructura de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

75

4.17. Izquieda: Vista superior; Centro: Vista frontal; Derecha: Ensamble del mecanismo de elevaci´ on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.18. Mecanismo de elevaci´ on ensamblado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

76

4.19. complemento del mecanismo de elevaci´on. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

4.20. Eje del tornillo azimutal con chumaceras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

77

4.21. Eje del engrane azimutal con chumacera y placa de soporte. . . . . . . . . . .

78

4.22. Ensamble del mecanismo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78

4.23. Tuerca y motor dentro del dispositivo de enfoque. . . . . . . . . . . . . . . . .

79

4.24. Tornillo sin fin y base para enfoque dentro del dispositivo de enfoque . . . . .

79

4.25. Ensamble del seguidor solar, vista lateral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.26. Ensamble del seguidor solar, vista frontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

80

4.27. Ensamble del seguidor solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

4.28. caja de circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

81

4.29. Control de manejo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

82

5.1. Temperatura alcanzada en un periodo de 10 minutos sobre una barra de acero 304. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83

5.2. Prueba de una lente de Fresnel sobre una lata de aluminio. . . . . . . . . . .

84

5.3. Dispositivo emplazado en su posici´on final de pruebas. . . . . . . . . . . . . .

84

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

xiii

´INDICE DE FIGURAS

1.

Gr´ afica de Ashby: M´ odulo de elasticidad contra precio de ciertos materiales . 101

2.

Gr´ afica de Ashby: M´ odulo de elasticidad contra densidad de ciertos materiales 102

xiv

IPN

Ing. Mecatr´onica

´Indice de cuadros

3.1. PDS del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.2. Fragmento de datos de posici´on solar obtenidos del mes de marzo. . . . . . .

30

3.3. Factores de carga y choque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

3.4. Caracter´ısticas de las celdas solares a utilizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53

6.1. Costo de componentes y materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

6.2. Costo de energ´ıa el´ectrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

6.3. Costo de mano de obra directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

6.4. Costo de mano de obra indirecta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

88

5.

Soluciones posibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

96

6.

Tabla de ponderaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

97

7.

Valores asignados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

98

8.

Matriz binaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

99

9.

dise˜ nos conceptuales ponderados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

xv

CAP´ITULO

1

Introducci´on

1.1. 1.1.1.

Antecedentes Desarrollo de un crematorio solar en India

Este proyecto se desarroll´ o con el fin de cremar cuerpos con energ´ıa solar mediante un reflector Scheffler de 50 m2 , sin embargo, ´este tenia un factor de concentraci´on de 100, el cual no fue suficiente para una correcta cremaci´on, por lo que pasaron a experimentos con lentes de Fresnel de diferentes tama˜ nos, los cuales fueron lo suficientemente buenos inclusive para fundir piedras, pero su tama˜ no era muy peque˜ no[1].

M´as tarde se continu´ o con un reflector experimental de 3,4 m2 de apertura y una peque˜ na c´amara de cremaci´ on. Esta configuraci´on tiene las mismas proporciones que el reflector Scheffler de 50 m2 , pero reducido por un factor de tres. Todo esto para simplificar la construcci´ on, hacerla flexible y por lo tanto la c´ amara junto con el reflector ten´ıan para ser montados en un sistema de seguimiento de 2 ejes. La abertura de la c´amara era de 8 cm de di´ametro. Con una superficie de apertura de la c´ apsula de 3,4 m2 esto representa una relaci´on de concentraci´ on geom´etrica de 670. En la pr´ actica, alrededor de 1000 W se entran en la c´amara, calent´andolo

1

Introducci´ on

hasta 700-800 °C. Esta fue tambi´en la temperatura m´ınima que podr´ıa iniciar la combusti´ on inmediata de cualquier tipo de carne que entr´o en la c´amara [1].

Figura 1.1: Montaje experimental para la cremaci´on solar en Baroda, India. Posee dos ejes de libertad.

1.1.2.

Horno solar de Odeillo

El horno de Odeillo, es el horno solar m´as grande del mundo, est´a localizado en la poblaci´on de Font-Rumeu-Odeillo-V´ıa, localidad de Pirineos Orientales, regi´on de LanguedocRousill´on cerca de Puigcerd´ a, Espa˜ na y de Perpi˜ nan, Francia (ver figura 1.2).

Figura 1.2: Horno solar de Odeillo. Construido en 1970, por su localizaci´on, este horno cuenta con 300 d´ıas de Sol al a˜ no. Est´a ubicado a una altura de 1 535 metros sobre el nivel del mar. La potencia del horno es una de las m´ as grandes del mundo con 1 MW, alcanza temperaturas de hasta 3 000 °C. Utiliza 63 espejos planos (ver figura 1.3) de 45 m2 dirigibles con 2 grados de libertad, los cuales se

2

IPN

Ing. Mecatr´onica

1.1 Antecedentes

orientan seg´ un la posici´ on del Sol, reflejando los rayos solares hacia el reflector parab´olico de 1 830 m2 (ver figura 1.3) y ´este a su vez los refleja hacia una superficie que captura la energ´ıa t´ermica en la torre receptora de calor (ver figura 1.4)[2].

Figura 1.3: Arreglo de espejos planos orientables (configuraci´on de espejos).

Figura 1.4: Receptor de calor.

Aunque este horno use otra tecnolog´ıa para la generaci´on de energ´ıa, en contraste con el tipo de lente que se piensa utilizar; fue un buen testimonio de que la energ´ıa solar es algo que lleva al menos 40 a˜ nos en uso en pa´ıses como Francia y por lo que se observ´o, sirve como referencia para nuestro prototipo debido a que se pueden ver las posibles temperaturas m´aximas a alcanzar; aunque este no es el u ´nico dispositivo similar; a continuaci´on se describe otro concentrador solar cuya relevancia para los objetivos ya planteados en este trabajo es de gran ayuda.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

3

Introducci´ on

1.1.3.

Solar Sinter

´ Este es un cortador solar (vea http://www.markuskayser.com/work/solarsinter/), el cual utiliza un sistema de visi´ on artificial para orientar la energ´ıa solar, y sinterizar arena para realizar grabados emulando una impresora 3D. La realizaci´on de esta actividad est´a preponderantemente orientada hacia los desiertos, puesto que en ellos abunda la arena y la energ´ıa proveniente del Sol, las primeras pruebas fueron realizadas en el desierto de Marruecos obteniendo resultados interesantes como el siguiente ejemplo.

Figura 1.5: Pieza sinterizada a partir de arena. El dispositivo Solar Sinter utiliza lentes de Fresnel (ver figura 1.6).

Figura 1.6: Dispositivo solar sinter.

4

IPN

Ing. Mecatr´onica

1.1 Antecedentes

Como se puede ver, se usan celdas solares para la recolecci´on de energ´ıa suministr´andole a ´el mismo, adem´ as la ubicaci´ on de ´estas sirve como contrapeso para buscar equilibrio[3].

En cuanto a los mecanismos, ´estos tienen la finalidad de mover al dispositivo en forma azimutal y elev´ andolo, ´esto se puede apreciar mejor en la figura 1.7.

Figura 1.7: Mecanismo del dispositivo Solar sinter. Algunas caracter´ısticas de este dispositivo son: 1. Utiliza un lente de Fresnel como concentrador solar. 2. El movimiento azimutal lo hace sobre un aro de acero y utilizando una rueda conducida. 3. Utiliza como sensor una c´ amara CCD. 4. Las celdas solares van montadas sobre la estructura. 5. Utiliza un mecanismo tuerca / tornillo sin fin para mover el eje de elevaci´on. 6. Funde arena, as´ı que debe alcanzar entre 1300 °C y 1500 °C. 7. El dispositivo es desarmable.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

5

Introducci´ on

1.2.

Justificaci´ on

La Mecatr´ onica, que es una sinerg´ıa entre las ingenier´ıas mec´anica, ingenier´ıa electr´onica, ingenier´ıa de control e ingenier´ıa inform´atica, inunda casi todos los aspectos de la sociedad. Actualmente las m´ aquinas, equipos, electrodom´esticos y unidades inform´aticas son concebidos desde una perspectiva mecatr´ onica. Es decir, son sistemas que mezclan en su funcionamiento, componentes mec´ anicos y electr´ onicos. La sinergia entre dichas ´areas busca crear productos inteligentes, con mejores cualidades respecto a los dem´as, capaces de procesar informaci´ on en forma paralela para mejorar el funcionamiento, la productividad y el desempe˜ no. Dichos sistemas o equipos dentro del marco energ´etico, implican un consumo de energ´ıa, el cual debe ser cubierto; empatando esto con el Desarrollo Sustentable, se genera la necesidad de un sistema que utilice energ´ıa limpia y que adem´as sea capaz de aportarla para otros procesos (que en este caso es un contenedor).

Siendo as´ı, la energ´ıa almacenada se utiliza para alimentar al dispositivo mismo y adem´ as, enfocarla en un punto espec´ıfico para su uso en otros procesos tales como la fundici´on de materiales, etc.

6

IPN

Ing. Mecatr´onica

1.3 Objetivo general

1.3.

Objetivo general

Dise˜ nar y manufacturar un prototipo de dispositivo orientador solar para el aprovechamiento de la radiaci´ on solar. El objetivo es captar la energ´ıa solar y concentrarla sobre un punto para elevar la temperatura, y mantener el haz de luz enfocado en el punto a lo largo del d´ıa.

1.4.

Objetivos espec´ıficos

1. Determinar el rango de temperatura en el ´area focal de diferentes concentradores solares a trav´es de c´ alculos te´ oricos. 2. Determinar la eficiencia energ´etica de los diversos concentradores solares y la temperatura obtenida trav´es de c´ alculos te´oricos. 3. Determinar las dimensiones de la superficie que va a concentrar la radiaci´on solar. 4. Realizar los planos de dise˜ no y manufactura del prototipo. 5. Manufacturar las diversas etapas, circuiter´ıa, mecanismos del prototipo. 6. Ensamblar el prototipo. 7. Realizar el software necesario para la unidad de control del prototipo. 8. Realizar la puesta a punto del prototipo.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

7

Introducci´ on

1.5.

Planteamiento del problema

Se quiere concentrar la energ´ıa calor´ıfica del Sol en una superficie con la ayuda de un mecanismo que sea capaz de orientarse y mejorar la captaci´on de energ´ıa. Para lograrlo se necesita orientar un concentrador solar de forma que su superficie de captaci´on siempre sea perpendicular al Sol.

Un problema es encontrar la posici´on del Sol, el cual tiene una traslaci´on aparente debido al movimiento de rotaci´ on terrestre. Adem´as, ´este tiene una variaci´on en su trayectoria a lo largo de las estaciones del a˜ no, por lo que, el prototipo debe ser capaz de encontrar la posici´ on del Sol en todo momento y orientar el concentrador solar.

1.6.

Estructura del documento

El presente documento tiene una estructura compuesta por seis cap´ıtulos, los cuales se dividen de la siguiente forma: Introducci´ on; aqu´ı se presentan algunos proyectos que sirvieron como referencia, la justificaci´ on y los objetivos del prototipo. Marco te´ orico; en este cap´ıtulo se muestran los conceptos principales que conciernen al desarrollo del prototipo. Dise˜ no; aqu´ı se hace un an´ alisis de cada uno de los dispositivos utilizados. Construcci´ on del prototipo; es en ´este, se muestra el an´alisis de manufactura, elemento finito y los dispositivos por separado en forma f´ısica. Pruebas; en este punto se realizan las pruebas del prototipo. An´ alisis de costos; es una an´ alisis de todos los costos correspondientes a la construcci´ on del dispositivo.

8

IPN

Ing. Mecatr´onica

Parte I

Panorama General

9

CAP´ITULO

2

Marco te´orico

2.1.

Radiaci´ on solar

La radiaci´ on solar es el conjunto de radiaciones electromagn´eticas emitidas por el Sol debidas a la serie de reacciones que provocan la transformaci´on de masa en energ´ıa. La radiaci´ on solar se distribuye del infrarrojo al ultravioleta. No toda la radiaci´on alcanza la superficie terrestre, porque las ondas ultravioletas m´as cortas, son absorbidas por la capa de ozono y diversos gases de la atm´ osfera. La magnitud que mide la radiaci´on solar que llega a la Tierra es la irradiancia. Su unidad son los

W , m2

donde W son Watts.

La constante solar es la cantidad de radiaci´on solar recibida por una superficie de 1 m2 colocada en la parte externa de la atm´osfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol (ver figura 2.1). Propiamente no es una constante, pero si un par´ametro que var´ıa dentro de l´ımites estrechos, con un valor promedio de K=1366

11

W m2

[4].

Marco te´ orico

Figura 2.1: La constante de radiaci´on eletromagn´etica solar. Por efectos de la rotaci´ on de la Tierra, cuando la radiaci´on solar llega a la atm´osfera, se origina una desviaci´ on que bajo ciertas condiciones produce el fen´omeno de difracci´ on, por lo que una parte de la radiaci´ on llega a la superficie terrestre de forma difusa. La suma de la radiaci´ on directa y la radiaci´on difusa se denomina radiaci´on global y es inferior a la constante solar[5].

La distribuci´ on de la radiaci´ on solar recibida por la superficie terrestre puede visualizarse en el “Anexo A, Radiaci´ on solar promedio (1990 - 2004)”. Para los prop´ositos del presente trabajo, se establece que de acuerdo a diversas referencias consultadas, M´exico recibe aproximadamente 220

2.2.

W m2

[6],[7].

Concentradores solares

Un concentrador solar es un dispositivo dise˜ nado para captar la energ´ıa irradiada por el Sol y concentrarla en un ´ area reducida aumentando su intensidad. Existen diversos tipos de concentradores, siendo los m´ as utilizados las lentes de Fresnel y los espejos curvos. A continuaci´on se mencionar´ a m´ as sobre estos dispositivos[8].

2.2.1.

Espejo curvo para concentraci´ on del luz solar

En la figura 2.2 se observa el esquema de un espejo curvo. Donde C es el eje focal, S es la superficie reflectante, F el punto focal y f la distancia focal.

12

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.2 Concentradores solares

Figura 2.2: Esquema de un espejo c´oncavo.

Caracter´ısticas:

1. Dependiendo de la forma del reflector, se requiere de uno a dos grados de libertad para orientarse al Sol.

2. Si se utiliza un reflector compuesto por espejos planos, cada espejo se debe alinear en forma parab´ olica.

3. Para alcanzar temperaturas entre 700 °C a 800 °C, se requiere un reflector de al menos 3.4 m2 [9].

4. Para construir y utilizar un reflector parab´olico de dimensiones considerables (mayores a 1 m2 ), se requieren estructuras y mecanismos que, debido a la masa de los espejos planos a manipular, deben ser grandes; volviendo al antecedente del horno solar de Odeillo, los mecanismos de locomoci´ on all´ı utilizados tienen un volumen de 8 m2 aproximadamente.

2.2.2.

Lentes de Fresnel

En 1748, el conde Buffon (escritor y naturalista franc´es) propuso que las lentes podr´ıan bajar de peso sin alterar su enfoque, aunque fue el franc´es Agust´ın-Jean Fresnel quien la dise˜ n´o. Propuso que si se quita la parte caf´e del plano convexo (ver figura 2.3) se puede reducir peso logrando una serie de lentes que funcionen como un todo.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

13

Marco te´ orico

Figura 2.3: Construcci´on de una lente de Fresnel. Caracter´ısticas de la lente de Fresnel: 1. Son vidrios o pl´ asticos fabricados cuya misi´on es hacer que los rayos de luz que las atraviesen se comporten como en una lente plano-convexa (ver figura 2.4). 2. Los rayos de luz que llegan paralelos a la superficie plana, se focalizan hacia un punto espec´ıfico. 3. Los rayos de luz que salen del foco atraviesan la lente y salen colimados. 4. Las lentes de Fresnel tienen en esencia las mismas propiedades que las lentes planoconvexas pero disminuyen su peso y su volumen considerablemente. 5. Si los di´ ametros de las lentes son grandes es conveniente usar una lente de Fresnel.

Figura 2.4: Comparaci´ on entre la lente convexa y la lente de Fresnel.

14

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.3 Posici´ on del Sol

2.3.

Posici´ on del Sol

El planeta Tierra tiene una desviaci´on de 23° de su eje de rotaci´on respecto al eje formado de unir al Polo Norte y al Polo Sur de la esfera celeste, lo que implica que durante el movimiento de traslaci´ on, el Sol forme una curva parecida a una funci´on senoidal en el cielo, ´esto puede ser perfectamente ejemplificado con las estaciones del a˜ no (ver figura 2.5).

Figura 2.5: Trayectoria del Sol de verano a invierno y viceversa. Para que un concentrador solar trabaje adecuadamente, su superficie debe estar orientada perpendicularmente respecto a las ondas electromagn´eticas provenientes del Sol y compensar el movimiento de ´este a lo largo del d´ıa.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

15

Marco te´ orico

Para medir la posici´ on de un astro, se utilizan dos ´angulos, los cuales se pueden apreciar en la figura 2.6:

´ Figura 2.6: Angulos de elevaci´on y azimutal.

2.4.

Metodolog´ıa para el dise˜ no de ejes de transmisi´ on

Para el movimiento del dispositivo, se debe utilizar una forma de transmitir la potencia entre los componentes que tienen la funci´on de mover a ´este; siendo as´ı, los ejes de transmisi´on cumplen con este prop´ osito por lo que son la opci´on que se va a utilizar. El dise˜ no de la transmisi´ on se realiz´ o mediante el c´odigo ASME (Sociedad Americana de Ingenieros Mec´anicos por sus siglas en ingl´es) el cual consta de los siguientes pasos: 1. Obtener la potencia de entrada y salida del eje de trasmisi´on. 2. Obtener las fuerzas en cada elemento. 3. Dividir al eje en planos para simplificar el an´alisis. 4. Obtener las reacciones en los elementos limitadores de movimiento. 5. Realizar los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector. 6. Calcular el momento flector m´aximo. 7. Calcular el di´ ametro cr´ıtico. 8. Realizar an´ alisis de rigidez.

16

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.5 Sistema mecatr´ onico

9. Calcular el di´ ametro cr´ıtico. 10. Tomar el di´ ametro cr´ıtico mayor de los 2 obtenidos. 11. Realizar el an´ alisis modal. Se recomienda consultar [10] para conocer m´as sobre el dise˜ no de ejes mediante el c´odigo ASME.

2.5.

Sistema mecatr´ onico

Un sistema mecatr´ onico es la integraci´on sin´ergica de una combinaci´on de diversas disciplinas como son la mec´ anica, la electr´onica, el control y la computaci´on, cuya finalidad es ofrecer una soluci´ on con resultados superiores a la implementaci´on de dichas disciplinas de forma separada. Se compone del modelado de sistemas f´ısicos, el uso de sensores y actuadores, la adquisici´ on de datos y el procesamiento de se˜ nales en sistemas l´ogicos[11]. Para dar una visi´ on general al respecto, la meactr´onica puede ser vista como se muestra en la figura 2.7.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

17

Marco te´ orico

Figura 2.7: Elementos clave de un sistema mecatr´onico.

18

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.6 Especificaci´ on del dise˜ no de producto (PDS)

2.6.

Especificaci´ on del dise˜ no de producto (PDS)

La especificaci´ on del dise˜ no de producto (PDS por sus siglas en ingl´es) es una descripci´ on a detalle de las necesidades y requerimientos1 con las que se planea dise˜ nar y/o producir. En cualquier proyecto de dise˜ no, la realizaci´on del PDS es un paso esencial[12].

Como un paso previo a la escritura del PDS, debe llevarse a cabo una buena investigaci´ on y recopilar informaci´ on suficiente de lo que se planea dise˜ nar. Un primer borrador de un PDS debe ser desarrollado antes de realizar cualquier intento de generar soluciones a un problema. Esta es una disciplina importante ya que, tanto tiempo, esfuerzo y dinero se pueden perder al proporcionar una soluci´ on equivocada para el problema.

El proceso de dise˜ no es iterativo, y el PDS debe ser considerado como un documento flexible que durante el desarrollo del producto va cambiando hasta obtener las especificaciones finales[13].

Cuando se est´ an definiendo las especificaciones que conformar´an el producto, se deben conocer los valores nominales para cada variable de afectaci´on que intervenga en la optimizaci´on de la medida de la caracter´ıstica de calidad que se desee[14].

1

”enti´endase por necesidades, a aquellas cuya consecuci´ on debe ser cubierta por el prototipo y/o producto,

en cuanto a los requerimientos, ´estos deben de igual forma ser cubiertos por el prototipo y/o producto, sin embargo, la diferencia radica en que su consecuci´ on debe ser dada bajo ciertas condiciones, por mencionar un ejemplo, puede ser el rango de movimiento de un actuador.”

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

19

Marco te´ orico

El n´ umero de especificaciones del producto que deban concretarse depender´a de la naturaleza y objetivos del producto, ya que es imposible cuantificar los requisitos de un producto todav´ıa inexistente que pretende cubrir una necesidad determinada [15]. Algunos elementos que se toman en cuenta son: 1. Entorno de funcionamiento. 2. Seguridad. 3. Funcionamiento. 4. Materiales. 5. Ergonom´ıa. 6. Legalidad y Normalizaci´ on. 7. Instalaci´ on y mantenimiento. 8. Vida u ´til. 9. Peso y tama˜ no. 10. Transporte. 11. Fiabilidad. 12. Calidad. 13. Periodo previsto de lanzamiento al mercado. 14. Costo. 15. Embalaje.

2.7.

An´ alisis morfol´ ogico

Es un m´etodo creado en 1969 por el astr´onomo y f´ısico suizo Fritz Zwicky. Su objetivo es resolver problemas mediante el an´alisis de las partes que lo componen. Se basa en la concepci´ on de que cualquier problema est´a compuesto o integrado por un cierto n´ umero de elementos y en la consideraci´ on de que estos tienen identidad propia y pueden ser aislados[12].

20

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.8 Tabla de decisiones

2.8.

Tabla de decisiones

La tabla de decisiones ayuda a evaluar sistem´aticamente las opciones de soluci´on propuestas a un problema, ´esto se realiza compar´andolas con una lista de criterios, con el objetivo de adoptar la mejor opci´ on. Sin embargo, esta herramienta es un tanto subjetiva, depende muchas veces de la opini´ on personal, experiencia y conocimiento del dise˜ nador[13]. Los elementos que contiene una tabla de decisiones son:

1. Ponderaci´ on determinada de acuerdo a las necesidades del dise˜ nador. 2. Estados o caracter´ısticas que se pueden presentar. 3. Acciones que elige el dise˜ nador. 4. Resultados obtenidos de acuerdo a los estados y a los dise˜ nos conceptuales.

2.9.

Selecci´ on de materiales

Se deben considerar el tipo de materiales que se requieren para una aplicaci´on determinada. Existen diversos m´etodos para la selecci´on de materiales, en general, estos m´etodos se basan, en una serie de par´ ametros f´ısicos, mec´anicos, t´ermicos y de fabricaci´on que determinan la utilidad t´ecnica de un material[16].

Debido al alto n´ umero de factores que afectan la selecci´on de materiales el dise˜ nador determina cuales son las propiedades m´as relevantes para la aplicaci´on que se tiene y con base en ellas, se hace la selecci´ on.

Normalmente la selecci´ on de material es dictada por el dise˜ no, pero a veces funciona a la inversa: el nuevo producto o la evoluci´on del ya existente fue sugerida o hecha posible por un nuevo material.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

21

Marco te´ orico

Es importante la selecci´ on del material en el dise˜ no, para evitar fallas y costos innecesarios. Por lo que la selecci´ on debe ser paralela al proceso de dise˜ no. Los m´etodos m´as utilizados en la selecci´ on de materiales son:

M´ etodo tradicional: El ingeniero selecciona el material que cree que es el m´as adecuado con base en la experiencia de partes que tiene un funcionamiento similar y que han mostrado buenos resultados.

M´ etodo gr´ afico: Se basa en gr´aficas, en las que se relacionan ciertas propiedades de los materiales.

Figura 2.8: Mapa de propiedades de los materiales (ejemplo). M´ etodo con ayuda de base de datos: Existe una amplia gama de base de datos sobre materiales, que han sido construidas para comercializaci´on o son distribuidas por proveedores de materiales. Se pueden encontrar las caracter´ısticas principales de los materiales, facilitando su selecci´ on.

22

IPN

Ing. Mecatr´onica

2.10 Selecci´ on de componentes

2.10.

Selecci´ on de componentes

Es una etapa importante en el dise˜ no, ya que se seleccionan los componentes constituyentes del mismo, y se conocen las caracter´ısticas f´ısicas (forma, tama˜ no, tipo de sujeci´on, etc.); evitando cambios inesperados en el ensamblaje. Logrando con ello un sistema m´as sencillo y eficaz[13].

Para realizar una selecci´ on, se toma en cuenta lo siguiente: 1. Recopilar la informaci´ on necesaria seg´ un sea la aplicaci´on: involucra el prop´osito para el que se necesita el componente: rendimiento, costo y operaci´on. 2. Definir y decidir cuales son los factores influyentes: rendimiento, tipo de aplicaci´ on, geometr´ıa, seguridad y comercializaci´on. 3. Establecer factores:B´ asicamente son los valores comerciales de algunos componentes, como es bien sabido, si ´estos no lo son; los precios aumentan considerablemente. 4. Proveedores: Tabla comparativa en la cual se eval´ uan los puntos como: precio, tiempo de entrega, eficiencia del componente, etc. 5. Seleccionar el componente que re´ una las mejores caracter´ısticas: Diagrama de rutas, considerando las caracter´ısticas que nos interesan de los componentes. Eligiendo (si/no) de acuerdo a los l´ımites y caracter´ısticas de la aplicaci´on. 6. Consultoria: restricciones de instalaci´on, operaciones que influyan en el rendimiento del componente. En ocasiones esta informaci´on se encuentra en los cat´alogos.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

23

Parte II

Desarrollo

25

CAP´ITULO

3

Dise˜no

3.1.

An´ alisis funcional

El an´ alisis funcional de un proyecto, es una forma de dividirlo; de tal forma que pueda ser analizado por separado buscando una forma de resolver ciertas tareas para despu´es unirlas en una sola soluci´ on. A continuaci´ on se muestran en la figura 3.1 las ´areas funcionales que se definieron para el dise˜ no. Para definirlas, se seleccionaron las funciones m´as b´asicas que el dispositivo debe contener para cumplir con el objetivo de concentrar la radiaci´on solar en una superficie a lo largo del d´ıa.

Figura 3.1: Diagrama funcional del dispositivo orientador solar.

27

Dise˜ no

En las siguientes secciones se decidi´o llamar dispositivos a las ´areas funcionales encargadas de orientar la superficie, esto debido a que ´estas giran entorno a un dispositivo tiene por objetivo, ubicar la superficie seg´ un les sea requerido; el nombre de estos dispositivos viene dado por el grado de libertad que representan. En las siguientes secciones se muestra el dise˜ no de las diversas ´areas funcionales del dispositivo.

3.2.

PDS del prototipo

Como ya se mencion´ o, el PDS es una parte muy importante en el desarroyo de cualquier proyecto, por lo que se a continuaci´on se muestra el correspondiente para este prototipo. Caracter´ıstica

Valor

Rango de enfoque

20 cm

Rango de elevaci´on

0 a 90°

Rango de orientaci´on

0 a 180°

Tensi´ on de trabajo de los motores

12 V

Tensi´ on de trabajo de los circuitos l´ogicos

5V

Velocidad de elevaci´on

1 rpm

Velocidad de orientaci´on

1 rpm

Interfaz de comunicaci´on

USB

Protocolo de comunicaci´on

RS232

N´ umero de grados de libertad

3

Error de posici´on

< 10°

Cuadro 3.1: PDS del prototipo. Algo interesante a resumir del anterior PDS, es el hecho de que plantea la base para el desarrollo del ulterior prototipo.

28

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.3 B´ usqueda de la posici´ on solar

3.3.

B´ usqueda de la posici´ on solar

3.3.1.

M´ etodo de lazo abierto

Para calcular la posici´ on te´ orica del Sol, se utiliz´o el trabajo realizado por Kok-Keong Chong y Chee-Woon Wong en los art´ıculos [17] y [18]. Algunos de los puntos tratados en estos art´ıculos son:

1. Comparaci´ on entre los m´etodos de lazo abierto y lazo cerrado para ubicar al Sol. 2. La implementaci´ on de un sistema de seguimiento solar de dos ejes de libertad. 3. La utilizaci´ on de la posici´ on te´orica del Sol para orientar al sistema. 4. El desarrollo de un m´etodo para compensar mediante software los errores de alineaci´ on de la estructura.

Debido a que el desarrollo de los temas tratados en [17] y [18] tiene alcances que quedan fuera de los objetivos del proyecto, se recomienda al lector consultar dichos art´ıculos en caso de querer profundizar.

Para calcular la posici´ on te´ orica del Sol, se requieren los siguientes datos:

1. Coordenadas de ubicaci´ on geogr´afica (Se definen al montar el dispositivo en sitio). 2. Hora y fecha local (Se configura al iniciar el sistema y se mantendr´a actualizada por el sistema de control). 3. Los 3 ´ angulos de correcci´ on (Calculados utilizando el m´etodo descrito en [18]).

Es importante mencionar que para el c´alculo de la posici´on, se requiere bastante procesamiento, sin embargo, por las pruebas que se realizaron al medir la posici´on del Sol a lo largo de su movimiento (ver tabla 3.1), puede observarse que cada 80 minutos, el Sol cambia aproximadamente 16.5° de ´ angulo de elevaci´on y 6.6° de ´angulo azimutal.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

29

Dise˜ no

Hora

´ Angulo Azimutal (°)

Diferencia del

´ Angulo de (°)

Diferencia del

angulo azimutal (°) ´

elevaci´on

´angulo de elevaci´on (°)

6:10

93.8

0.8

-11.5

2.3

6:20

94.6

0.8

-9.2

2.4

6:30

95.4

0.8

-6.8

2.3

6:40

96.2

0.8

-4.5

2.4

6:50

97

0.8

-2.1

2.8

7:00

97.8

0.9

0.7

2.1

7:10

98.7

0.8

2.8

2.2

7:20

99.5

0.9

5

2.3

Cuadro 3.2: Fragmento de datos de posici´on solar obtenidos del mes de marzo.

3.3.2.

Etapa en lazo cerrado

Para la etapa en lazo cerrado, se utiliza un circuito comparador de tensi´on implementado por software, el cual toma la lectura anal´ogica de las fotorresistencias (LDR por sus siglas en ingl´es) (ver figura 3.2) y la convierte en un valor digital. Posteriormente (ver figura 3.3), se compara el valor de LDR1 y LDR4 contra el valor de LDR2 y LDR3, orientando la elevaci´ on del dispositivo hasta que todas las LDR tengan un valor de tensi´on menor a 0.5 V (este valor se encontr´ o experimentalmente). Finalmente se hace el mismo procedimiento, comparando el valor de LDR1 y LDR2 contra LDR3 y LDR4 para orientar el azimutal del dispositivo hasta obtener un valor de error por debajo de la tolerancia de error.

30

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.3 B´ usqueda de la posici´ on solar

Figura 3.2: Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito l´ogico.

Figura 3.3: Ubicaci´on de las fotorresistencias.

3.3.3.

Desarrollo del concepto

Para obtener lo mejor de ambos m´etodos de sensado, y compensar sus deficiencias, se opt´o por utilizar un m´etodo h´ıbrido que combine de forma sin´ergica una etapa en lazo abierto, utilizando el c´ alculo de la posici´ on solar y la etapa en lazo cerrado, utilizando sensores(para

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

31

Dise˜ no

una revisi´ on m´ as exhaustiva de la soluci´on propuesta, revisar el ap´endice A).

Adem´ as, como sensor se utilizar´a un arreglo de fotorresistencias montado sobre la estructura del concentrador solar.

3.3.4.

Integraci´ on sin´ ergica

Para lograr la sinergia de ambos m´etodos y el sistema en general, se utiliza el algoritmo mostrado en la figura 3.4.

Figura 3.4: Algoritmo utilizado para buscar la posici´on del Sol. El algoritmo anteriormente mostrado se implemento en una tarjeta de desarrollo ATMEGA129®cuyo c´ odigo se puede ver en el apendice D.

3.3.5.

Selecci´ on de materiales

Para el selecci´ on de los mismos, se encontr´o que para los ejes, es mejor utilizar acero inoxidable, en el caso de la estructura es mejor el uso de Aluminio debido a que el prototipo debe encontrarse en la intemperie durante su puesta en funcionamiento (Ver Ap´endice B).

32

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.4 Concentrador solar

3.4. 3.4.1.

Concentrador solar Selecci´ on del tipo de concentrador solar

A continuaci´ on se hace una breve comparaci´on entre los concentradores solares usando lentes de Fresnel y espejos curvos, bas´ andonos en los datos encontrados durante la investigaci´ on previa al dise˜ no.

Tama˜ no: En cuanto a esta caracter´ıstica la lente de Fresnel tiene una amplia ventaja puesto que con un tama˜ no relativamente bajo es capaz de lograr temperaturas grandes si se le compara con un espejo curvo y por ejemplo est´a el inmenso arreglo de espejos en Odeillo, Francia.

Masa: Este aspecto est´ a completamente ligado al anterior ya que una lente de Fresnel esta ´ hecha de Acr´ılico Optico con una densidad de 1200

kg m3

la cual dadas las dimensiones reduci-

das, no representa un gran aporte de masa, en cambio el horno solar de Odeillo es un edificio de 18 m de altura.

Temperatura: Esta caracter´ıstica no es tan f´acil de apreciar puesto que de alguna forma se pueden obtener temperaturas iguales con ambos concentradores, sin embargo la lente de Fresnel es m´ as sencilla de implementar.

Conclusi´ on: Debido a que para alcanzar temperaturas mayores a 700 °C se requiere de una superficie de aproximadamente 3.4 m2 utilizando un reflector curvo (seg´ un [9]) y con una lente de Fresnel de dimensiones menores, se alcanzan temperaturas superiores a 1200 °C (Pues se logra fundir arena de s´ılice con el Solar Sinter, [3]), se ha seleccionado la lente de Fresnel como concentrador solar para el dispositivo.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

33

Dise˜ no

3.4.2.

C´ alculo de temperatura te´ orica usando una lente de Fresnel

Para el c´ alculo de la temperatura te´orica se utiliza la siguiente constante de concentraci´on:

C3D,m´ax = 43 400

(3.1)

Para revisar la deducci´ on de la misma revise [19], a partir de 3.1 se puede encontrar la temperatura m´ axima te´ orica con ayuda de la siguiente ecuaci´on: r Tabs,m´ax = Ts ∗

4

C Cm´ax

(3.2)

Donde Ts es la temperatura del Sol con un valor de 5 778 K, entonces con una concentraci´on de C = 100 (lo que implica que, con una superficie de lente de 1 m2 con respecto a una superficie a concentrar de 10 cm por lado), se tiene la siguiente temperatura te´orica:

Tabs,m´ax = 992.76 ◦ C

(3.3)

Este resultado cumple con lo estipulado en el primer objetivo.

34

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.5 Dispositivo de enfoque

3.4.3.

Caracter´ısticas del lente de Fresnel a utilizar

Se adquiri´ o un lente ya fabricado. Las caracter´ısticas f´ısicas del lente ser´an utilizadas por punto de partida para el dise˜ no del dispositivo que tendr´a la funci´on de orientar el lente de Fresnel para que siga la trayectoria del Sol.

Caracter´ısticas:

1. Dimensiones: 1000 x 1000 mm. 2. Distancia focal: 880 mm. 3. Espesor: 3 mm. 4. Distancia entre anillos: 0.3 mm.

3.5. 3.5.1.

Dispositivo de enfoque An´ alisis de dispositivo de enfoque

El concepto de este mecanismo se basa en el uso de un tornillo el cual es movido a su vez mediante un actuador, el prop´ osito de ´esto, es buscar la posici´on en la cual la temperatura a alcanzar es la suficiente para el prop´osito que se desee, por ejemplo, fundir metales, hervir agua, etc.(ver figura 3.7).

Figura 3.5: Mecanisomo de enfoque (CAD).

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

35

Dise˜ no

Como se puede ver, el motor se encuentra en la parte baja y esta directamente acoplado al tornillo, de tal forma que pueda elevarlo ´o bajarlo, cabe mencionar en un principio no se ten´ıa un mecanismo especificado debido a que su dise˜ no depende de los mecanismos restantes (azimutal y elevaci´ on).

3.5.2.

Dise˜ no de transmisi´ on

Para el c´ alculo2 de la transmisi´on del dispositivo de enfoque, se utilizar´a un mecanismo de husillo (ver figura 3.10), con las siguientes caracter´ısticas3 : 1. Di´ametro del husillo: d = 0.62 in. 2. Paso: P = 0.3937 in. 3. Coeficiente de fricci´ on: µ = 0.01. 3. Masa del dispositivo: M = 40.09 lb. 4. Eficiencia del dispositivo: η = 0.9.

2

”Cabe mencionar que, dado que la mayor´ıa de libros de Mec´ anica y los proveedores consultados utilizan

unidades del sistema ingl´es; se ha preferido utilizar ´estas para los c´ alculos de las transmisiones, y el Sistema Internacional para el resto de unidades f´ısicas. ” 3 Algo a recalcar, es que las caracter´ısticas fueron obtenidas de los valores comerciales de mecanismos de husillo . Aqu´ı lo que se sugiere, es verificar; si las caracter´ısticas por enunciar, son lo bastante razonables como para la adquisici´ on del mecanismo de husillo, cuya uso surgi´ o del dise˜ no conceptual seleccionado ver ap´endice A

36

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.5 Dispositivo de enfoque

Figura 3.6: Mecanismo de husillo. A partir de las caracter´ısticas del husillo, se tiene el siguiente procedimiento para determinar las caracter´ısticas del motor.

Como se puede ver en la figura 3.6 la u ´nica fuerza significativa es la gravedad, y tomando en cuenta que la masa del dispositivo completo es de 40.09 lb, se tiene:

G = mg = (40.09 lb)(386.22

in ) = 43.79 lb s2

(3.4)

Para obtener el momento necesario se utiliza la siguiente f´ormula:

Ml = G(

d P +µ∗ ) 2πη 2

(3.5)

Sustituyendo los valores del mecanismo en 3.5 se tiene:

Ml = 43.79 lb(

0.3937 in + 0.01 ∗ 0.31m) = 3.1866 lb in 2π ∗ 0.9

(3.6)

Entonces considerando que se utilizar´a un motor nema23, que a 1 rpm cuenta con un torque de 16.19 lb in se tiene el siguiente factor de seguridad.

γ=

Ing. Mecatr´ onica

16.69 ln in = 5.23 3.1866 lb in

UPIITA

(3.7)

37

Dise˜ no

3.6. 3.6.1.

Dispositivo de elevaci´ on An´ alisis de dispositivo de elevaci´ on

Al investigar diversos proyectos de orientadores solares, se observaron los principales problemas al intentar orientar un concentrador solar. El principal es el momento requerido para modificar el ´ angulo de elevaci´ on del concentrador. El proyecto ”Solar Sinter” (ver figura 3.7), resolvi´o este problema utilizando una estructura que en un extremo soporta el peso de un lente de Fresnel, mientras en el otro extremo posee un contrapeso que permite mover el centro de masa para ubicarlo en el eje de giro.

Figura 3.7: Lente de Fresnel sobre una estructura de elevaci´on controlable.

3.6.2.

Dise˜ no de transmisi´ on

Para el c´ alculo de un eje con las caracter´ısticas de funcionamiento deseadas, se usa un motor nema23 con la siguiente curva de comportamiento (ver figura 3.8), dicho dispositivo tiene un momento de inercia de 39 604.35 lb in2 4 .

4

38

Este valor de inercia se obtuvo mediante el uso del software SOLIDWORKS 2011 ®

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.6 Dispositivo de elevaci´ on

Figura 3.8: Curva caracter´ıstica del motor a pasos nema23. Adem´ as, se utiliza un mecanismo tornillo sinfin-corona, el cual tiene una relaci´on de engranes de 30, lo cual implica que por cada giro del tornillo, el corona se mueve 12°, esto es importante, puesto que con los datos de posici´on solar (ver tabla 3.2), se encontr´o que el promedio de cambio de posici´ on para los ejes de elevaci´on y azimutal por cada 10 minutos durante un a˜ no son los siguientes:

Dif erencia promedio del eje de elevaci´ on : 1.988◦

(3.8)

Dif erencia promedio del eje azimutal : 2.8◦

(3.9)

Por lo que se decidi´ o actualizar el sistema cada 30 minutos, es decir, triplicar los valores antes expuestos, adem´ as de utilizar para la actualizaci´on una curva de velocidad como la siguiente:

Figura 3.9: Comportamiento deseado en el movimiento del motor.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

39

Dise˜ no

Donde se tiene que determinar el tiempo para cada parte de la curva, por lo que se tiene la siguiente f´ ormula(ver figura 3.9): P osici´ on = t1 + t2 ω

(3.10)

Entonces, dado que el sistema se va a actualizar cada 30 minutos, se calcul´o que la flecha del motor se debe mover 2.95 rad y que, para estar dentro de la curva de comportamiento del motor se utilizar´ a la menor velocidad posible, es decir, 1 rpm puesto que es en esta velocidad donde se tiene el mayor torque posible.

⇒

2.95 rad = 30 0.1047 rad s

(3.11)

⇒ 30 = t1 + t2

(3.12)

t1 = t2 = 15 s

(3.13)

Si se considera t1 = t2 :

⇒ α = 0.00698

rad s2

(3.14)

Para verificar que con esta aceleraci´on no se sobrepasa el torque m´aximo suministrado se utiliza la ecuaci´ on siguiente:

M =(

1 )Jα n2

(3.15)

Donde n es la relaci´ on de engranes del sistema, entonces sustituyendo:

M =(

1 rad ) ∗ 39 604.35 lb in2 ∗ 0.00698 2 = 0.3071 lb in 3 0.9557∗ < x − 3.17 >3 − + − 2.3132 ∗ x (3.36) 6 6 6 IPN

Ing. Mecatr´onica

3.6 Dispositivo de elevaci´ on

Donde sustituyendo los valores de inter´es en 3.36 se obtiene.

x = 0 in:

y = 0 in

(3.37)

y = 0.0076 in

(3.38)

x = 3.17 in:

Plano vertical

Para este plano se tiene un diagrama de fuerzas id´entico, salvo los valores que var´ıan debido a las componentes a tratar, sin embargo, debido a que el procedimiento es bastante largo se resumir´ a con las ecuaciones de mayor inter´es.

E∗I ∗y =

3.7859 ∗ x3 5∗ < x − 1.97 >3 3.7859∗ < x − 3.17 >3 − + − 14.5768 ∗ x + 24.8754 6 6 6 (3.39)

Donde de igual forma se obtienen las flexiones en los mismos puntos de x. x = 0 in:

y = 0.0148 in

(3.40)

y = −0.0023 in

(3.41)

x = 3.17 in:

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

47

Dise˜ no

Por lo que obteniendo la norma de ambas deflexiones se tiene: x = 0 in:

y = 0.0148 in

(3.42)

y = 0.0079 in

(3.43)

x = 3.17 in:

Pero estos valores violan la norma, debido a que la deflexi´on m´axima no debe exceder 0.001 in, entonces se decidi´ o utilizar un valor de di´ametro m´ınimo de 0.5 in, cuyos nuevos valores de deflexi´ on son los siguientes: x = 0 in:

y = 0.2707 ∗ 10−3 in

(3.44)

y = 0.1457 ∗ 10−3 in

(3.45)

x = 3.17 in:

Estos valores est´ an dentro de la norma.

3.7. 3.7.1.

Dispositivo Azimutal An´ alisis de dispositivo Azimutal

Para el c´ alculo de un eje con las caracter´ısticas de funcionamiento deseadas, se usa un motor nema34 con la siguiente curva de comportamiento (ver figura 3.14), dicho dispositivo tiene un momento de inercia de 14.21 kg m2 .

48

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.7 Dispositivo Azimutal

Figura 3.14: Curva caracter´ıstica del motor nema34.

3.7.2.

Dise˜ no de transmisi´ on

El m´etodo de resoluci´ on es el mismo que el eje de elevaci´on, con la diferencia de que este eje est´ a colocado en forma vertical (ver figura 3.15), adem´as, debido a la similitud del m´etodo, s´ olo se presentar´ an los resultados m´as importantes.

Figura 3.15: Alimentaci´on del sistema.

De nueva cuenta, se calcul´ o que la flecha del motor se debe mover 4.39 rad y que, para estar dentro de la curva de comportamiento del motor se utilizar´a la menor velocidad posible, es decir, 1 rpm puesto que es en esta velocidad donde se tiene el mayor torque posible.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

49

Dise˜ no

4.39 rad = 42 0.1047 rad s

(3.46)

t1 + t2 = 42

(3.47)

t1 = t2 = 21 s

(3.48)

Si se considera t1 = t2 :

⇒ α = 0.00498

rad s2

(3.49)

Entonces, el eje azimutal del mecanismo(ver figura 3.15), tiene una velocidad aceptable: 1. ω: 0.1047 rad s . C´ alculo por resistencia.

Por este m´etodo, se obtuvieron las siguientes reacciones: RBx = RDx = 0.0404 lb

(3.50)

RBy = RDy = 0.0106 lb

(3.51)

⇒ Mf = 0.1236 lbin

(3.52)

⇒ Mt = 0.1212 lbin

(3.53)

y,

adem´as,

Por lo que el di´ ametro m´ınimo es el siguiente:

dm = 0.0477 in

50

IPN

(3.54)

Ing. Mecatr´onica

3.7 Dispositivo Azimutal

C´ alculo por rigidez.

En este m´etodo se lleg´ o a la siguiente ecuaci´on en el plano horizontal:

E∗I ∗y =

0.2424 ∗ x3 − 0.0202 ∗ x 6

(3.55)

y = 0.0155 in

(3.56)

En x = 2.96 in:

Para el plano vertical: E∗I ∗y =

0.636 ∗ x3 − 5.3 ∗ 10−3 ∗ x 6

(3.57)

En x = 2.96 in:

y = 0.0041 in

(3.58)

y = 0.0161 in

(3.59)

Por u ´ltimo la deflexi´ on total es:

Pero al igual que el eje anterior, este no cumple con la norma, por lo cual para homologar el di´ametro del anterior eje, se utilizar´a un di´ametro de 0.5 in, siendo as´ı, la deflexi´on m´axima:

y = 1.3342 ∗ 10−6 in

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

(3.60)

51

Dise˜ no

3.8. 3.8.1.

An´ alisis de sistema de alimentaci´ on Selecci´ on del concepto

´ Esta, es una de las partes m´ as importantes puesto que define qu´e es lo que dar´a energ´ıa al prototipo, est´ a basado en celdas solares debido a que est´as aprovechan la energ´ıa solar, para aumentar su eficiencia energ´etica, orientar´an hacia el Sol utilizando la misma estructura del concentrador solar. La gesti´ on de la energ´ıa que ´estas generan utilizar´a un controlador de carga que alimente a los circuitos y actuadores cuando ´estos est´en en uso, en caso contrario se pretende que el controlador almacene energ´ıa en una bater´ıa para su posterior uso en situaciones donde las condiciones del Sol no favorezcan una buena recepci´on de energ´ıa. Por u ´ltimo se usa un regulador para evitar sobrecargas (ver figura 3.16).

Figura 3.16: Sistema de alimentaci´on del dispositivo orientador.

52

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.8 An´ alisis de sistema de alimentaci´ on

3.8.2.

Selecci´ on de celdas solares

La selecci´ on de las celdas solares, se bas´o en lo siguiente: 1. Cada motor consume a carga m´axima 42 W a 12 V. 2. La circuiter´ıa consume 1 A a 5 V. 3. Lo que implica que se requieren 131 W. Por lo que se opt´ o por 2 celdas de 90 W para cubrir lo exigido;las caracter´ısticas de ambas celdas son las siguientes: Potencia Nominal

90 W

Voltaje a circuito abierto

21.9 V

Corriente en corto circuito

5.14 A

Voltaje de m´ axima potencia

17.5 V

Corriente de m´ axima potencia

5.14 A

Voltaje m´ aximo del sistema

600 Vdc

Dimensiones

1018 x 666 x 35 mm

Cuadro 3.4: Caracter´ısticas de las celdas solares a utilizar.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

53

Dise˜ no

F´ısicamente la celda es como la siguiente:

Figura 3.17: Celda solar Eplus-90 W.

3.8.3.

Circuito de control

El circuito de control utilizado en el prototipo, fue una tarjeta de control de motores a pasos con capacidad de hasta 3 de ellos; todo esto con m´aximo de 3 A por cada motor utilizado.

Figura 3.18: Tarjeta para control de motores.

54

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.8 An´ alisis de sistema de alimentaci´ on

3.8.4.

Selecci´ on de bater´ıa

Para esta parte se utiliz´ o el mismo proveedor de las celdas solares, de sus cat´alogos se seleccion´ o la bater´ıa 31H ver figura 3.19, con las siguientes prestaciones: 1. 12 V, 115 Ah @ 100 hr y una vida u ´til de 3 a 4 a˜ nos.

Figura 3.19: Bateria.

3.8.5.

Selecci´ on de controlador de carga y regulador

Tomando en cuenta las caracter´ısticas de las celdas solares y la bater´ıa a utilizar, se opt´o por utilizar un controlador de carga con las siguientes caracter´ısticas: 1. 12 V de salida. 1. Soporta 40 A de corriente de entrada.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

55

Dise˜ no

Este controlador, tiene la siguiente apariencia:

Figura 3.20: Controlador de carga.

En conclusi´ on, el proceso de dise˜ no consta de varias perspectivas incluyendo la parte t´ecnica y todas las posibles soluciones evalu´andolas seg´ un criterios de funcionamiento estipulados por la aplicaci´ on y/o el cliente.

En cuanto a la evoluci´ on del dise˜ no, se utiliz´o el m´etodo de Martin Grimheden para efectos sin´ergicos[20], donde se pueden ver los cambios que ha tenido el prototipo durante su desarrollo.

Figura 3.21: Dispositivo orientador completo.

56

IPN

Ing. Mecatr´onica

3.8 An´ alisis de sistema de alimentaci´ on

Figura 3.22: Mecanismo azimutal del dispositivo orientador.

Figura 3.23: Mecanismo de elevaci´on del dispositivo orientador.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

57

Dise˜ no

Figura 3.24: Base del dispositivo orientador. Como se puede ver en relaci´ on a sus anteriores versiones, el dispositivo ha variado mucho llegando al siguiente dise˜ no final.

Figura 3.25: Dispositivo completo.

58

IPN

Ing. Mecatr´onica

Parte III

Validaci´ on

59

CAP´ITULO

4

Construcci´on del prototipo

4.1.

An´ alisis de manufactura

El an´ alisis de manufactura en la construcci´on del prototipo de dispositivo orientador es de vital importancia, ´esto debido a que muestra la informaci´on necesaria para determinar el tiempo requerido de mecanizado de cada una de la piezas que tengan que pasar por un proceso; ya sea en fresadora manual, torno, etc. Adem´as de ello, se muestran las herramientas de corte necesarias para este prop´ osito. En las p´ aginas subsecuentes, se muestra el an´alisis de manufactura para 2 piezas pertenecientes al dispositivo de elevaci´ on, la raz´on de ello es mostrar como se realiz´o este an´alisis.

61

Construcci´ on del prototipo

4.2.

An´ alisis de mecanizado de piezas

En el siguiente an´ alisis se calcularon los tiempos de mecanizado de algunas de las piezas utilizadas. No se muestran todas ya que solo se busca mostrar lo que se realiz´o en todas ellas y no ellas en s´ı mismas.

62

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.2 An´ alisis de mecanizado de piezas

An´alisis de tiempos de placa Azimutal soporte motor.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

63

Construcci´ on del prototipo

64

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.2 An´ alisis de mecanizado de piezas

Caja rodamiento superior eje elevaci´on.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

65

Construcci´ on del prototipo

4.3.

Plan de manufactura

El plan de manufactura busca encontrar la mejor soluci´on para ensamble de los componentes del dispositivo. En la imagen siguiente, se encuentra el plan de ensamble del marco de la lente de Fresnel, donde se puede ver c´omo se ensambla componente a componente el marco.

Figura 4.1: Plan de ensamble del marco de la lente de Fresnel. La raz´ on por la cual no se presenta el plan de manufactura completo es debido al proceso de obtenci´ on de patente al que este prototipo est´a sujeto.

66

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.4 An´ alisis mediante elemento finito

4.4.

An´ alisis mediante elemento finito

El an´ alisis mediante elemento finito es una poderosa herramienta creada para simular los efectos de las cargas en cualquier componente con la finalidad de estudiar su comportamiento ante tales cargas. En el caso del an´ alisis modal, no es necesario el uso de cargas, sin embargo, s´olo con la geometr´ıa del componente y su material constituyente, se pueden encontrar los modos de vibraci´ on.

4.5.

An´ alisis mediante ANSYS 13.0®

En el caso del prototipo, se realiz´o el an´alisis de deflexi´on para el eje que hace girar el mecanismo azimutal con las siguiente condiciones de frontera:

Figura 4.2: Eje del dispositivo azimutal.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

67

Construcci´ on del prototipo

Despu´es de modelar el eje en ANSYS ®y aplicando las fuerzas correspondientes, se obtuvo lo siguiente:

Figura 4.3: Deflexi´on del eje del dispositivo azimutal. En la figura se puede observar que la deflexi´on es aproximadamente la misma respecto a la calculada te´ oricamente, ´esto es de gran ayuda puesto que se comprueba lo que qued´o estipulado en los c´ alculos previos. Un an´ alisis diferente, pero que tambi´en es de gran utilidad es el an´alisis modal, el cual busca encontrar las frecuencias naturales del objeto, pieza o ensamble seg´ un sea el caso. Siendo as´ı, se obtuvieron los primeros tres modos de vibraci´on, obteniendo lo que se muestran en la p´ agina siguiente siguiente:

68

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.5 An´ alisis mediante ANSYS 13.0®

Figura 4.4: Primer modo de vibraci´on del eje del dispositivo azimutal.

Figura 4.5: Segundo modo de vibraci´on del eje del dispositivo azimutal.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

69

Construcci´ on del prototipo

Figura 4.6: Tercer modo de vibraci´on del eje del dispositivo azimutal. En este caso se puede ver que el eje debe trabajar en frecuencias diferentes a las mostradas,en el caso del mecanismo azimutal, ´este no trabaja en est´e ancho de banda por lo que se puede decir que se va a trabajar correctamente.

70

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.5 An´ alisis mediante ANSYS 13.0®

Para el caso del eje del mecanismo de elevaci´on, se utilizaron las siguientes condiciones de frontera:

Figura 4.7: Deformaci´on del eje del dispotivo de elevaci´on. Donde se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 4.8: Deformaci´on del eje del dispotivo de elevaci´on.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

71

Construcci´ on del prototipo

Lo que se puede observar es que la deformaci´on es similar al resultado obtenido te´oricamente. Ahora bien, en el caso de los modos de vibraci´on, a continuaci´on, se presentan las primeras tres frecuencias naturales:

Figura 4.9: Primer modo de vibraci´on del eje del dispotivo de elevaci´on.

72

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.5 An´ alisis mediante ANSYS 13.0®

Figura 4.10: Segundo modo de vibraci´on del eje del dispotivo de elevaci´on.

Figura 4.11: Tercer modo de vibraci´on del eje del dispotivo de elevaci´on. De igual forma, la regi´ on de operaci´on del dispositivo es diferente a la de las primeras tres frecuencias naturales del eje, por lo que se puede trabajar con normalidad.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

73

Construcci´ on del prototipo

4.6.

Construcci´ on f´ısica

La construcci´ on del dispositivo se realiz´o en etapas, es decir, se decidi´o dividirlo por mecanismos, en cuanto a herramental se refiere, se utiliz´o equipo como el torno, frssadora, CNC (Control Num´erico Computarizado), etc. Esto se puede ver en las siguientes figuras:

Figura 4.12: Maquinado de ejes en el torno.

Figura 4.13: Operario en el torno.

74

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.6 Construcci´ on f´ısica

Mecanismo de elevaci´ on. Este mecanismo cuenta con los siguientes componentes:

Figura 4.14: Eje con tornillo sin fin.

Figura 4.15: Eje con engrane y corona.

Figura 4.16: Placa de uni´on con la estructura de elevaci´on.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

75

Construcci´ on del prototipo

Una vez concluidos los componentes, se ensamblaron como se muestra a continuaci´on:

Figura 4.17: Izquieda: Vista superior; Centro: Vista frontal; Derecha: Ensamble del mecanismo de elevaci´ on.

Estos, a su vez fueron ensamblados en la estructura principal.

Figura 4.18: Mecanismo de elevaci´on ensamblado.

76

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.6 Construcci´ on f´ısica

Figura 4.19: complemento del mecanismo de elevaci´on. Mecanismo azimutal. En el caso de este mecanismo se realizaron las siguientes partes:

Figura 4.20: Eje del tornillo azimutal con chumaceras.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

77

Construcci´ on del prototipo

Figura 4.21: Eje del engrane azimutal con chumacera y placa de soporte. Donde a su vez se ensamblaron formando el mecanismo, sin embargo, a diferencia del mecanismo anterior, ´este fue ensamblado directamente sobre la estructura.

Figura 4.22: Ensamble del mecanismo azimutal.

78

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.6 Construcci´ on f´ısica

Mecanismo de enfoque. Este u ´ltimo mecanismo se ensamblo directamente puesto que, los componentes fueron directamente comprados.

Figura 4.23: Tuerca y motor dentro del dispositivo de enfoque.

Figura 4.24: Tornillo sin fin y base para enfoque dentro del dispositivo de enfoque

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

79

Construcci´ on del prototipo

Para concluir, se muestran los tres dispositivos ensamblados en el prototipo final donde se pueden apreciar desde distintos ´ angulos.

Figura 4.25: Ensamble del seguidor solar, vista lateral.

Figura 4.26: Ensamble del seguidor solar, vista frontal.

80

IPN

Ing. Mecatr´onica

4.6 Construcci´ on f´ısica

Figura 4.27: Ensamble del seguidor solar. En cuanto al control del prototipo, se construy´o como a continuaci´on se describe:

Figura 4.28: caja de circuitos. Como se pudo ver en la figura anterior (ver figura 4.28) el circuito de control fue montado en un gabinete contra el agua para evitar problemas debidos a su exposici´on en la intemperie.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

81

Construcci´ on del prototipo

En el caso del control manual, se utiliz´o un control para el movimiento del dispositivo (ver figura 4.29)

Figura 4.29: Control de manejo. Este control es de gran ayuda para manipular el prototipo en forma manual, y as´ı, realizar las pruebas de temperatura que se describen en el siguiente capitulo.

De todo lo anterior descrito, se puede concluir que con ayuda de los criterios para la manufactura descritos, se pudo lograr la consecuci´on del prototipo en forma exitosa, todo esto con el objetivo de lograr los objetivos planeados al principio.

82

IPN

Ing. Mecatr´onica

CAP´ITULO

5

Pruebas

5.1.

Pruebas de funcionamiento

Se realiz´ o una prueba de funcionamiento del dispositivo el martes 11 de diciembre a las 5:30 pm, en la cual se encontr´ o, que alcanz´o una temperatura de 530 °C en un tiempo aproximado de 10 minutos (ver figura 5.1) lo que implica que en meses m´as calurosos como abril, se debe esperar un ascenso de la temperatura y por lo tanto en la energ´ıa colectada por parte de las celdas solares.

Figura 5.1: Temperatura alcanzada en un periodo de 10 minutos sobre una barra de acero 304.

83

Pruebas

Otra prueba, se bas´ o en la capacidad de las lentes para fundir materiales como se muestra a continuaci´ on.

Figura 5.2: Prueba de una lente de Fresnel sobre una lata de aluminio. Como se puede ver el material quedo calcinado por la acci´on de la lente. En cuanto a la ubicaci´on del dispositivo, se us´ o un emplazamiento a la intemperie para realizar dicha prueba, siendo as´ı, se tiene la siguiente apariencia:

Figura 5.3: Dispositivo emplazado en su posici´on final de pruebas. En cuanto a los resultados obtenidos, la variaci´on de los mismos promedi´o 5° respecto a cada ´angulo, a pesar de ´esto, la temperatura se alcanz´o c´omo ya se ha podido apreciar; adem´as, cumple con las caracter´ısticas de funcionamiento expuestas anteriormente en el PDS teniendo una eficiencia del 100 % puesto que fundi´o todo el material colocado en la superficie para su fundici´ on.

84

IPN

Ing. Mecatr´onica

CAP´ITULO

6

An´alisis de costos

En este cap´ıtulo se debe partir con un concepto que es vital en el ´ambito de la ingenier´ıa. El costo: D´ıgase en forma escueta y pueril, como el desembolso en efectivo o en especie hecho en el pasado, en el presente y en el futuro[21].

En t´erminos m´ as formales, se analizar´an los recursos financieros utilizados en la construcci´on del prototipo pasando por varios rubros, entre ellos se tiene: materia prima, disponibilidad del personal, equipo especializado,etc.

En este sentido, a continuaci´ on se presenta el estudio econ´omico correspondiente al prototipo, en el cual se presentan los costos en sus diferentes vertientes [21].

85

An´ alisis de costos

6.1.

Costos de producci´ on

El prototipo consta de una gran cantidad de materiales y componentes para su construcci´on. Est´ an distribuidos dentro de los diferentes dispositivos, lo que implica que muchos no se usaron s´ olo en un dispositivo, sino ya sea en 2 o inclusive los 3 en los que se dividi´o el prototipo. En la tabla siguiente se muestran los costos de materiales y componentes.

Concepto

Precio unitario ($)

Cantidad

Subtotal ($)

% IVA ($)

Costo total ($)

Perfiles de aluminio

200 pesos/m

11.5 m

2 300

368

2 668

Lente de Fresnel

4 000

2 lentes

8 000

1 280

9 280

Ruedas articuladas

250

4 ruedas

1 000

160

1 160

Celda solar, bater´ıa

12 018.46/juego

1 juego

12 018.46

1 922.96

13 941.42

Cable

150/rollo

2 rollos

300

48

348

Gabinete

300/pieza

1 pieza

300

48

348

Solera de acero

300/tramo

3 tramos

900

144

1 044

Engranes con

2 520.15/juego

2 juegos

5 040.3

836.44

5 876.74

2500/juego

1 juego

2500

400

2900

Solera de aluminio

300/tramo

1 tramo

300

48

348

Eje rectificado

300/m

1 eje

300

48

348

Torniller´ıa y juntas

25/pieza

520 piezas

13 000

2 080

15 080

y controlador

tornillo sin fin Tornillo sin fin y tuerca

de aluminio Total

53 342.16 Cuadro 6.1: Costo de componentes y materiales.

A continuaci´ on se presentan los costos en consumo el´ectrico requeridos, aunque se debe mencionar que ´estos son absorbidos por la UPIITA, ya que all´ı se realizaron todas las operaciones de manufactura.

86

IPN

Ing. Mecatr´onica

6.1 Costos de producci´ on

Equipo

Unidades

HP del motor

Consumo

Consumo

KW/h/motor

KW/h total

h/d´ıa

Consumo KW-h/d´ıa

Torno

1

5

3.75

3.75

4

15

Fresadora

1

2

1.5

1.5

4

6

CNC

1

6.7

2

6

2

12

Taladro

1

0.5

0.375

0.375

1

0.375

Ordenador

2

1.2

8

9.6

3.75

8

30

Total

72.975

Alumbrado

Cuadro 6.2: Costo de energ´ıa el´ectrica. Estos 72.975 KW-h/d´ıa, son de gran utilidad para el c´alculo de consumo mensual de energ´ıa, es decir:

Cosumo total = consumo total diario ∗ d´ıas de manufactura = 72.975 KW − h/d´ıa ∗ 30 d´ıas (6.1) Lo que da como resultado,

Cosumo total = 2 189.25 KW − h

(6.2)

Considerando 5 % debido a eventos sin contemplar, se tiene, Cosumo total = 2 189.25 KW − h ∗ 1.05 = 2 298.71 KW − h

(6.3)

Entonces considerando el costo de la energ´ıa el´ectrica (2.163 pesos/KW-h [22] se tiene,

Costo total = 2 298.71 KW − h ∗ 2.163 pesos/KW − h = 4 972.11 pesos

(6.4)

Aunque este costos se debe multiplicar por la cantidad de meses en los cuales el prototipo fue desarrollado, lo que implica, Costo total = 4 972.11 pesos ∗ 8 = 39 776.88pesos

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

(6.5)

87

An´ alisis de costos

Por u ´ltimo se muestran los costos de mano de obra. en este caso se muestran primeramente los costos de mano de obra directa (Ver tabla 6.3) [23]. Mano de obra directa

h/d´ıa

Total de d´ıas

Total de horas

Sueldo por d´ıa

Sueldo total

Empleado 1

8

240

1 920

84.5

20 080

Empleado 2

8

240

1 920

84.5

20 080

Total

40 160

Cuadro 6.3: Costo de mano de obra directa. En cuanto a los costos de mano de obra indirecta [23] se tiene: Mano de obra indirecta

Sueldo mensual $

Total de meses

Sueldo total

Asesor t´ecnico 1

8 000

12

96 000

Asesor t´ecnico 2

8 000

12

96 000

Total

192 000

Cuadro 6.4: Costo de mano de obra indirecta. Estos costos de mano de obra directa e indirecta no son definitivos, puesto que se debe agregar un 35 % debido a la ley del infonavit [24] lo que implica un total de costos de mano de obra de:

Costo total de mano de obra = 367 114.78 pesos

(6.6)

Lo que implica un costo total del proyecto de:

Costo total del proyecto = 420 056 .95 pesos

(6.7)

´ Este es, un resultado que puede servir como punto de referencia para comercializaci´ on y/o un estudio financiero m´ as exhaustivo.

88

IPN

Ing. Mecatr´onica

Conclusiones

Como se pudo ver en el transcurso del presente trabajo escrito, para desarrollar un prototipo en ingenier´ıa son necesarios muchos factores. Estos factores est´an ligados unos con otros puesto que se tiene que seguir una secuencia para la consecuci´on de los mismos y tener resultados satisfactorios.

En cuanto al prototipo se refiere, tenemos 4 t´opicos importantes los cuales queremos resaltar: 1. Proceso de dise˜ no. 2. Manufactura. 3. Resultados. 4. Mejoras a futuro. Proceso de dise˜ no El proceso de dise˜ no es bastante interesante y al mismo tiempo est´a lleno de retos, puesto que se tuvieron que contemplar muchas variables, adem´as de que ´estas est´an sujetas a su vez a otras variables como por ejemplo: costos, tiempos, etc. Entonces, se puede decir que el proceso de dise˜ no de un prototipo u otra aplicaci´on, sea cual sea, las soluciones son m´ ultiples, y ´estas dependen de factores externos para una posterior consecuci´on, esto en general cumple con los objetivos 1 y 2.

89

Conclusiones

Manufactura La manufactura del dispositivo fue muy enriquecedora en el sentido de que nos enfrentamos a los problemas t´ıpicos dentro de una empresa manufacturera, por mencionar un ejemplo, tuvimos la situaci´ on de la falta de materiales la cual retrasaba los planes, al igual que un herramental faltante y/o roto. Siendo as´ı la manufactura nos habla que a pesar de tener un plan perfectamente organizado, dif´ıcilmente se podr´a seguirlo al 100 % debido a factores externos, sean estos cuales sean. La consecuci´on exitosa de la manufactura y todas sus implicaciones cumple con los objetivos 3, 4, 5 y 6. Resultados En cuanto a resultados se refiere. Consideramos que han sido satisfactorios debido a que la temperatura alcanzada est´ a en el orden de la calculada en forma te´orica. La posici´on por otra parte, es capaz de enfocar la energ´ıa solar en una regi´on lo suficientemente estrecha como para garantizar una temperatura alta, y as´ı, se cumple con los u ´ltimos 2 objetivos de los planteados en este trabajo.

Mejoras a futuro Como en todo prototipo. Los resultados obtenidos siempre pueden ser mejorados, en nuestro caso, el porcentaje de objetivos cumplidos se puede considerar en un 90 %, la raz´on de ello es la falta de una interfaz gr´ afica para el manejo del mismo, sin embargo, el funcionamiento se puede considerar , entre las mejoras que encontramos se encuentran las siguientes: 1. Cambiar las ruedas inferiores. 2. Utilizar un suelo menos rugoso. 3. Utilizar un procesador m´ as poderoso en cuanto a manejo de memoria. Estas mejoras fueron detectadas en el proceso de pruebas y se espera que estas mejoras se puedan materializar a corto plazo.

90

IPN

Ing. Mecatr´onica

Glosario

Azimut o acimut: es el ´ angulo o longitud de arco medido sobre el horizonte celeste que forman el punto cardinal Norte y la proyecci´on vertical del astro sobre el horizonte del observador situado en alguna latitud. Se mide en grados desde el punto cardinal Norte en el sentido de las agujas del reloj, o sea Norte-Este-Sur.

PDS:Product Design Specifications,son las especificaciones que se requieren del producto, m´as no del producto en s´ı mismo.

Sinergia: Fen´ omeno en que el efecto de la influencia o trabajo de dos o m´as agentes actuando en conjunto es mayor al esperado considerando a la sumatoria de la acci´on de los agentes por separado.

Lentes de Fresnel: En 1748, el conde de Buffon (George Louis Leclerc, 1707 - 1788), escritor y naturalista franc´es, sugiri´ o que las lentes podr´ıan tener su peso sensiblemente disminuyendo su superficie esf´erica sin disminuir su potencia. La idea fue llevada a la pr´actica por el f´ısico franc´es Agust´ın Fresnel (1788-1827) que lo consigui´o rebaj´andola con cortes de la lente en anillos circulares conc´entricos consecutivos (Lentes de Fresnel).

C.D.: Corriente Directa.

D.F.: Distrito Federal.

91

Glosario

Celda solar: Elemento encargado de transformar la energ´ıa solar en el´ectrica, se basa en un fen´omeno f´ısico denominado efecto fotovoltaico, que consiste en la producci´on de una fuerza electromotriz por acci´ on de un flujo luminoso que incide sobre la superficie de dicha c´elula (Energ´a solar) .

RS232: RS232 (Recommended Standard 232, tambi´en conocido como Electronic Industries Alliance RS-232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de datos binarios entre un DTE (Equipo Terminal de Datos) y un DCE (Data Communication Equipment, Equipo de Comunicaci´on de datos), aunque existen otras en las que tambi´en se utiliza la interfaz RS-232.

ICyT: Instituto de Ciencia y Tecnolog´ıa del D.F.

92

IPN

Ing. Mecatr´onica

Parte IV

Ap´ endices

93

Ap´endice A: Selecci´on del concepto

.1.

Selecci´ on del concepto

Durante la recopilaci´ on de informaci´on y la investigaci´on sobre los m´etodos utilizados en la actualidad para obtener la posici´on del Sol, se distinguieron 2 m´etodos principales, lazo cerrado (mediante uso de sensores) y lazo abierto.

M´ etodo de lazo cerrado

Utiliza sensores que detecten la intensidad luminosa, como pueden ser las fotorresistencias, las celdas solares o utilizando una c´amara de v´ıdeo y visi´on artificial. El principal inconveniente es que se depende de las condiciones climatol´ogicas y es susceptible al ruido. Si una nube bloquea al Sol, el m´etodo puede dar una posici´on del Sol err´onea. Para lidiar con este problema, es necesario contemplar y caracterizar los casos en los que el sensor puede fallar y por medio de l´ ogica, detectar cuando no es posible obtener la posici´on.

M´ etodo de lazo abierto

Utiliza la teor´ıa propia de la astronom´ıa de posici´on para calcular los ´angulos de elevaci´ on y azimutal te´ oricos en los que se ubica el astro, en nuestro caso el Sol. Debido a que es independiente de la intensidad lum´ınica, es inmune al ruido ambiental debido a nubes. Presenta las desventajas de requerir mayor poder de c´omputo y perif´ericos que utilizando un m´etodo

95

Ap´endice A: Selecci´ on del concepto

en lazo cerrado. La otra desventaja es la necesidad de conocer la ubicaci´on precisa del norte geogr´afico (La direcci´ on norte que entrega una br´ ujula es la del norte magn´etico, que varia de acuerdo al a˜ no y requiere el c´ alculo del ´angulo de declinaci´on magn´etica para compensar la ubicaci´ on del norte geogr´ afico)[25].

Un dato a recalcar, es que el movimiento de cada uno de los dispositivos esta en funci´on de los datos que arroje el sensado, por lo que se deja fuera del an´alisis puesto que independientemente de como se logre el objetivo de locomoci´on, el sensado abarcara a los 3 dispositivos en cuesti´ on.

En cuanto al resto de los dispositivos que conforman al prototipo, se analizara mediante la siguientes alternativas(ver cuadro 5):

Dispositivo de elevaci´on Actuador

Motor a pasos

Motor de CD

Motor AC

Transmisi´ on

Tornillo sinfin-corona

Tren de engranes

Bandas

Dispositivo azimutal Actuador

Motor a pasos

Motor de CD

Motor AC

Transmisi´ on

Tornillo sinfin-corona

Tren de engranes

Bandas

Dispositivo de enfoque Actuador

Motor a pasos

Motor de CD

Transmisi´ on

Mecanismo de husillo

Tren de engranes

Motor AC

Cuadro 5: Soluciones posibles.

96

IPN

Ing. Mecatr´onica

.1 Selecci´ on del concepto

A partir de la tabla anterior, se obtuvieron los siguientes dise˜ nos conceptuales (que a nuestra consideraci´ on son los m´ as importantes):

Dise˜ no conceptual 1 (D1): Motor a pasos,tren de engranes, motor a pasos, tren de engranes, motor a pasos, tren de engranes.

Dise˜ no conceptual 2 (D2): Motor a pasos,tornillo sinfin-corona, motor a pasos, tornillo sinfin-corona, motor a pasos, mecanismo de husillo.

Dise˜ no conceptual 3 (D3): Motor CD, tren de engranes, motor CD, tren de engranes, motor de CD,tren de engranes.

Dise˜ no conceptual 4 (D4): Motor CD, tornillo sinfin-corona, motor CD, tornillo sinfincorona,motor CD, mecanismo de husillo.

Dise˜ no conceptual 5 (D5): Motor AC, tren de engranes, motor AC, tren de engranes,motor de AC,tren de engranes.

Dise˜ no conceptual 6 (D6): Motor AC, tornillo sinfin-corona, motor AC, tornillo sinfincorona, motor AC, mecanismo de husillo.

Para ayudar al proceso de selecci´on del concepto, se utilizo la siguiente tabla de ponderaciones.

Calificaci´on

Porcentaje

Bueno

50

Regular

30

Malo

20

Cuadro 6: Tabla de ponderaciones.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

97

Ap´endice A: Selecci´ on del concepto

Las caracter´ısticas a evaluar son las siguientes: 1. Consumo de energ´ıa. 2. Controlabilidad. 3. Costo. 4. Manufactura. 5. Mantenimiento. 6. Facilidad de uso. A continuaci´ on se obtiene la matriz de porcentajes binaria para comparar los objetivos y las soluciones conceptuales. Ponderaci´ on de caracter´ısticas de los dise˜ nos conceptuales Caracter´ıstica

D1

D2

D3

D4

D5

D6

Consumo de energ´ıa

60

60

30

30

10

10

Controlabilidad

60

60

30

30

10

10

Costo

30

60

30

60

10

10

Manufactura

30

60

30

30

10

10

Mantenimiento

30

60

30

30

10

10

Facilidad de uso

60

60

30

30

10

10

Cuadro 7: Valores asignados.

98

IPN

Ing. Mecatr´onica

.1 Selecci´ on del concepto

En la siguiente tabla, se obtienen los porcentajes de pertenencia de cada caracter´ıstica del prototipo: 1

2

3

4

5

6

Suma

Pertenencia

1

0

1

1

1

1

1

5

0.454

2

0

0

1

1

1

0

3

0.273

3

0

0

0

0

0

1

1

0.091

4

0

0

0

0

1

0

1

0.091

5

0

0

0

1

0

0

1

0.091

6

0

0

0

0

0

0

0

0

Suma

11

1

Cuadro 8: Matriz binaria.

Ing. Mecatr´ onica

UPIITA

99

Ap´endice A: Selecci´ on del concepto

Para obtener el dise˜ no conceptual final, se multiplico la ponderaci´on de cada objetivo, con la correspondencia correspondiente, obteniendo los siguientes resultados.

Caracter´ıstica

D1

D2

D3

D4

D5

D6

Peso

Consumo de energ´ıa

60

60

30

30

10

10

0.454

27.24

27.24

13.62

13.62

4.54

4.54

60

60

30

30

10

10

16.38

16.38

8.19

8.19

2.73

2.73

30

60

30

60

10

10

2.73

5.46

2.73

5.46

0.91

0.91

30

60

30

30

10

10

2.73

5.46

2.73

2.73

0.91

0.91

30

60

30

30

10

10

2.73

5.46

2.73

2.73

0.91

0.91

60

60

30

30

10

10

5.46

5.46

2.73

2.73

0.91

0.91

56.84

65.46

32.73

35.46

10.91

10.91

Controlabilidad

Costo

Manufactura

Mantenimiento

Facilidad de uso

Total

0.273

0.091

0.091

0.091

0.091

Cuadro 9: dise˜ nos conceptuales ponderados.

Como se puede apreciar, el dise˜ no conceptual n´ umero 2 es que mejor puntuaci´on tuvo, por lo que se eligi´ o para ser desarrollado en posteriores an´alisis.

100

IPN

Ing. Mecatr´onica

Ap´endice B: Selecci´on de materiales

Para la selecci´ on de materiales, se utiliz´o el software CES EDUPACK 2005 ®donde se utiliz´o la siguiente gr´ afica para el an´alisis.

Figura 1: Gr´ afica de Ashby: M´ odulo de elasticidad contra precio de ciertos materiales

101

Ap´endice B: Selecci´ on de materiales

Como se puede ver, materiales como el Aluminio, Acero y Acero inoxidables, los cuales son de f´ acil adquisici´ on en la ciudad de M´exico, tienen precios5 bajos y adem´as, un l´ımite el´astico elevado comparado con las velocidades de uso, (1 rpm). Ahora bien, comparando estos materiales con su densidad se obtuvo lo siguiente.

Figura 2: Gr´ afica de Ashby: M´ odulo de elasticidad contra densidad de ciertos materiales Entonces, considerando ambas figuras, el Aluminio y el Acero Inoxidable, son los m´ as probables porque se pueden usar en exteriores, ahora bien, el modulo de elasticidad es mayor en el Acero Inoxidable, es mejor utilizar este material para los ejes, y el Aluminio para el resto de la estructura, cabe destacar que el Aluminio es ligero por lo que abarato el costo de los motores.

5

102

Los precios presentados son de septiembre del 2012.

IPN

Ing. Mecatr´onica

Ap´endice C: Planos

Ra=3.2

A

C

D

+0.030 102.360 - 0.030

+0.020 89.329 - 0.020

+0.010 29.640 - 0.010

+0.010 15 - 0.010

+0.010 6.600 - 0.010

E

+0.020 42.671 - 0.020

+0.020 132 - 0.020

+0.050 1.790 - 0.050

+0.030 117 - 0.030

+0.010 R6.350 - 0.010

+0.020 6 - 0.020

+0.010 7 - 0.010

B

+0.010 19.050 - 0.010 +0.002 38.100 - 0.002

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO: LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

NOMBRE DIBUJ.

Daniel Gasca García

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:

FIRMA

FECHA

NO CAMBIE LA ESCALA

REVISIÓN

TÍTULO:

26/10/12

[Placa A1] Placa azimutal soporte motor

VERIF. APROB. FABR. CALID.

MATERIAL:

N.º DE DIBUJO

AISI 1020 PESO: 339.83

ESCALA:1:1

103

1

A4 HOJA 1 DE 1

Ap´endice C: Planos

Ra=3.2

Espesor de placa de 6.35 mm

6.60

A

SI NO SE INDICA LO CONTRARIO: LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

NOMBRE DIBUJ.

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:

FIRMA

160.05

115

15

6.60

69.95

11.11

25.40

C

+0.02 215 - 0.02 +0.02 230 - 0.02

11.11

B

FECHA

NO CAMBIE LA ESCALA

REVISIÓN

TÍTULO:

Daniel Gasca García

[Placa A2] Placa azimutal soporte eje corona

VERIF. APROB. FABR. CALID.

MATERIAL:

N.º DE DIBUJO

AISI 1020 PESO: 599.60

ESCALA:1:2

2

A4 HOJA 1 DE 1

Debido a que este prototipo esta en proceso de patente, se han omitido la mayor´ıa de los planos.

104

IPN

Ing. Mecatr´onica

Ap´endice D: C´odigo para AVR

El c´odigo mostrado a continuaci´on solo muestra la forma de acceder a tablas para la obtenci´on de la posici´ on solar, en cuanto al resto, se omiti´o por motivos de patentamiento.

105

/******************************************************************************* * Definicion de constantes * *******************************************************************************/ #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define #define

_ADDR_MEM_WRITE _ADDR_MEM_READ _AZIM _ELEV _NUM_HOURS_PER_DAY _NUM_DATA_PER_HOUR _NUM_DATA _NUM_BYTES _CNT_A _CNT_B _CNT_C

0xA0 0xA1 0 1 10 8 2 2 (_NUM_DATA) * (_NUM_BYTES) (_CNT_A) * (_NUM_DATA_PER_HOUR) (_CNT_B) * (_NUM_HOURS_PER_DAY)

/******************************************************************************* * Definicion de macros * *******************************************************************************/ // Calcula la direccion de memoria donde se encuentra almacenada la posicion // solar (azimutal y elevacion) para un momento determinado a partir de la // ecuacion: // direccion base = (dia*C) + (hora*B) + (minuto*A) // Donde: // A = (# de datos) (# de bytes por dato) // B = (# de lecturas por hora) * A // C = (# de horas de trabajo por dia) * B #define _base_addr(day,hour,min) (day*_CNT_C) + (hour*_CNT_B) + (min*_CNT_A)

/******************************************************************************* * Definicion de estructuras, uniones y tipos de datos * *******************************************************************************/ typedef unsigned short int uint8; typedef unsigned int uint16; typedef union UINT16TO8 { uint16 u16; uint8 u8[2]; } uint16to8;

/******************************************************************************* * Declaracion de variables globales y requeridas por los perifericos * *******************************************************************************/ // LCD module connections sbit LCD_D4 at PORTA0_bit; sbit LCD_D5 at PORTA1_bit; sbit LCD_D6 at PORTA2_bit; sbit LCD_D7 at PORTA3_bit; sbit LCD_RS at PORTA4_bit; sbit LCD_EN at PORTA5_bit; sbit LCD_D4_Direction at DDA0_bit;

sbit LCD_D5_Direction at DDA1_bit; sbit LCD_D6_Direction at DDA2_bit; sbit LCD_D7_Direction at DDA3_bit; sbit LCD_RS_Direction at DDA4_bit; sbit LCD_EN_Direction at DDA5_bit; // End LCD module connections uint16 SPA[2][10][8][2][2]; //[365][10][8][2][2] //[DIA][HR][LEC][DATO][B] /******************************************************************************* * Definicion de funciones * *******************************************************************************/ // config_mcu(): Funcion que inicializa y configura todos los perifericos usados // por el programa. void config_mcu() { Lcd_Init(); // Initialize LCD Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); // Cursor off TWI_Init(100000); // initialize TWI communication }

void mem_write(uint16 address, uint8 memdata) { uint16to8 addr; addr.u16 = address; TWI_Start(); TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); TWI_Write(addr.u8[1]); TWI_Write(addr.u8[0]); TWI_Write(memdata); TWI_Stop(); Delay_10ms();

// // // // // // //

issue TWI start signal send byte via TWI (device address + W) send most significant word address send least significant word address send data (data to be written) issue TWI stop signal Delay requires

// // // // // // // //

issue TWI start signal send byte via TWI (device address + W) send most significant word address send least significant word address issue TWI signal repeated start send byte (device address + R) read data (NO acknowledge) issue TWI stop signal}

}

uint8 mem_read(uint16 address) { uint8 memdata; uint16to8 addr; addr.u16 = address; TWI_Start(); TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); TWI_Write(addr.u8[1]); TWI_Write(addr.u8[0]); TWI_Start(); TWI_Write(_ADDR_MEM_READ); memdata = TWI_Read(0); TWI_Stop(); return memdata; }

void fill_mem(void) { //uint16 SPA[2][10][8][2][2]; uint16 day,i; uint8 hour,min; uint16to8 azim,elev; i = 0; azim.u16 = 0; elev.u16 = 0; for (day=0;day