Diseño De Un Seguidor Solar Para Eficientar la Captación De la

Transcripción

Octubre de 2010
INSTITUTO TECNOLÓGICO
SUPERIOR DE ARANDAS
PERSONAL
DISEÑO DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA
EFICIENTAR LA CAPTACIÓN DE LA ENERGÍA
SOLAR EN LOS PANELES FOTOVOLTAICOS.
PROGRAMA DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
Magaña Castañeda Humberto.
Ramírez Ramírez Juana Isela.
Romero Argüelles Adriana de Jesús.
|Instituto Tecnológico Superior de Arandas.
Contenido
Resumen ................................................................................................................. 4
Objetivos ................................................................................................................. 5
Objetivo General .................................................................................................. 5
Objetivos Específicos .......................................................................................... 5
Justificación ............................................................................................................. 6
Fundamento teórico ................................................................................................ 7
Energías Renovables .......................................................................................... 7
Energía limpia ...................................................................................................... 8
Energía solar directa ............................................................................................ 9
Celdas Solares .................................................................................................... 9
Celdas solares amorfas ..................................................................................... 10
Celdas solares cristalinas .................................................................................. 11
Orígenes de las celdas solares.......................................................................... 11
Elaboración de las celdas solares ..................................................................... 12
Funcionamiento ................................................................................................. 14
Diseño del seguidor solar. ..................................................................................... 17
Metodología........................................................................................................... 17
Recursos empleados ......................................................................................... 18
Diseño Electrónico ................................................................................................ 19
PIC555 ............................................................................................................... 20
Relevadores....................................................................................................... 20
Microswitch ........................................................................................................ 20
Batería ............................................................................................................... 20
Algoritmo de funcionamiento ............................................................................. 21
Diseño Mecánico ................................................................................................... 21
Eje ..................................................................................................................... 21
Soportes ............................................................................................................ 21
Poleas ................................................................................................................ 22
Seguidor Solar.
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Moto-reductor .................................................................................................... 22
Modulo Fotovoltaico ........................................................................................... 22
Sujeción ............................................................................................................. 23
Fijación .............................................................................................................. 23
Motor ................................................................................................................. 23
Movimiento del Módulo ...................................................................................... 23
Ventajas y Desventajas del Seguidor solar. .......................................................... 24
Ventajas ............................................................................................................. 24
Desventajas ....................................................................................................... 25
Cálculo del ángulo de giro óptimo del modulo fotovoltaico .................................... 26
Latitud ................................................................................................................ 26
Longitud ............................................................................................................. 26
Angulo Anual ..................................................................................................... 27
Angulo de los trópicos ....................................................................................... 27
Determinación de la posición del sol ................................................................. 27
Ángulos representativos de la posición del sol .................................................. 28
Angulo de giro optimo del modulo fotovoltaico .................................................. 29
Vector normal al modulo fotovoltaico ............................................................. 29
Dirección de los rayos solares ....................................................................... 31
Angulo optimo de inclinación.......................................................................... 32
Experiencias de práctica de prueba ...................................................................... 33
Conclusiones ......................................................................................................... 34
Bibliografía ............................................................................................................ 35
Seguidor Solar.
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Resumen
El seguidor solar es un aparato tecnológico, cuya es aumentar la
producción de los paneles fotovoltaicos y otros dispositivos de concentración por
medio de sistemas mecánicos hidráulicos, eléctricos y electrónicos que siguen la
trayectoria del sol como lo haría un girasol, captando de este modo la máxima
radiación solar durante el mayor tiempo posible. Está conformado básicamente
por: una estructura de metal en la cual se puede montar el panel fotovoltaico ó
cualquier otro dispositivo usado para captar la radiación solar (estructura física);
un mecanismo constituido por un reductor de velocidad acoplado a un motor de
bajo consumo de energía (estructura mecánica) y; un circuito compuesto por
microcomponentes de bajo costo, entre ellos transistores y
elementos
fotosensibles que son dispositivos fabricados específicamente para esa función y
por lo tanto son los más aptos para ejecutarla (estructura electrónica).
Debido a que este aparato tecnológico (seguidor solar) se orienta hacia el
sol, las paredes fotovoltaicas se encuentran todo el día dirigidas directamente
contra el sol y así notablemente aumenta su rendimiento.
Por ende un seguidor solar
puede optimizar el aprovechamiento de la
energía no sólo en regiones con una larga duración de radiación solar sino en
cualquier región.
Seguidor Solar.
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Objetivos
Objetivo General
Fabricar un mecanismo capaz de orientar los paneles solares de forma que
éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares para
optimizar la captación de energía y que a su vez puedan ser usados en todas las
tecnologías de seguimiento solar.
Objetivos Específicos
Diseñar
un sistema mecánico sencillo de instalar, robusto, fácil de
implantar y de bajo costo.
Optimizar el uso del seguidor solar con el fin de obtener un máximo
almacenamiento de energía irradiada por el sol en un banco de poder.
Impulsar la cultura del uso de energías renovables o verdes que coadyuven
al ahorro de energías no renovables (o combustibles fósiles como: petróleo,
carbón y gas natural).
Seguidor Solar.
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Justificación
Hoy en día el consumo de energía se ha vuelto un factor básico para
muchos aspectos de la actividad y el progreso. Por ende, la energía es
imprescindible para el progreso de un país, tanto es así que la tasa de consumo
energético está muy relacionada con el grado de desarrollo económico. Esta es la
razón por la cual las energías renovables, o verdes, están siendo muy
demandadas ya que su utilización no produce emisiones contaminantes para el
medio ambiente y se obtienen a partir de fuentes naturales que son virtualmente
inagotables, siendo el sol la más importante de ellas. Gracias a esta alternativa se
prevé para un futuro no muy lejano una creciente disminución en la dependencia
de las fuentes tradicionales de energía obtenidas a partir de combustibles fósiles
(petróleo, carbón y gas natural).
Pero para ello debemos continuar fomentando la necesidad que tenemos de
utilizar este tipo de energías, ya que así podremos mantener nuestro planeta en
armonía y, por consiguiente la extensión de las condiciones favorables para
permanecer habitable a largo plazo.
Seguidor Solar.
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Fundamento teórico
Energías Renovables
Se denomina energía renovable a la energía que se obtiene de fuentes
naturales virtualmente inagotables, ya sea por la inmensa cantidad de energía que
contienen, o porque son capaces de regenerarse por medios naturales. Entre las
energías renovables se cuentan la energía hidroeléctrica, eólica, solar,
geotérmica, mareomotriz, la biomasa y los biocombustibles.
Un concepto similar, pero no idéntico es el de las energías alternativas: una
energía alternativa, o más precisamente una fuente de energía alternativa es
aquella que puede suplir a las energías o fuentes energéticas actuales, ya sea por
su menor efecto contaminante, o fundamentalmente por su posibilidad de
renovación.
Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía
utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica
y la hidráulica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las
disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la del sol, son buenos
ejemplos de ello.
Hoy en día, México produce 91% de su energía utilizando combustibles
fósiles, tales como el carbón, el gas y el petróleo. Esta dependencia hacia los
combustibles derivados de fósiles ha provocado con el paso del tiempo que la
calidad del aire vaya disminuyendo, aunado a la contaminación de ríos, mares y
suelos nacionales, los cuales toman parte de la responsabilidad del calentamiento
global.
Seguidor Solar.
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Nuestro
país
cuenta
con
un
enorme
potencial
para
un
buen
aprovechamiento de las energías renovables, si apoyamos este potencial que
poseemos podremos contribuir con la atenuación de los impactos ambientales
ocasionados por la producción, distribución y uso final de las formas de energía
utilizadas convencionalmente.
Energía limpia
Cabe señalar y poner a consideración el señalamiento de un posible
“paradigma” que separa las definiciones entre energías renovables y energías
limpias, esto es:
El hidrógeno es un combustible muy limpio. Se quema y produce sólo agua.
Pero no es en sí mismo una fuente de energía renovable. No hay hidrógeno puro
en nuestra atmósfera. Hay que extraerlo de algún sitio, normalmente del agua. Si
producimos hidrógeno con una fuente de energía no renovable, no podemos decir
que el hidrógeno sea realmente “una energía limpia”.
La biomasa es un combustible “sucio”. Cuando quemamos leña estamos
añadiendo a la atmósfera COx, NOx, SOx, partículas inquemadas, etc. Estamos
contaminando, pero se trata de una energía renovable. La energía liberada al
quemar madera, es energía que un árbol tomó del Sol mediante la fotosíntesis.
Los contaminantes que lanzamos a la atmósfera serán absorbidos por otro árbol
para generar más madera. Cerrando este ciclo, no añadimos ni quitamos nada,
por eso es un proceso “renovable”.
Utilizar energía renovable, implica una trasformación energética para un uso
humano, que no añade ni resta energía al medio.
Por supuesto, para que la biomasa pueda ser considerada “renovable” es
imprescindible que se permita a las plantas y los bosques crecer al mismo ritmo
Seguidor Solar.
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que se les corta o poda. Otro ejemplo es el hueso de la aceituna o los restos de
poda: se trata de un proceso periódico y natural.
Decimos que las energías renovables son “virtualmente inagotables”,
porque mientras haya sol, los planetas se muevan o haga calor en el centro de la
tierra, seguirá habiendo energía renovable.
Energía solar directa
La energía solar directa es el resultado del proceso de fusión nuclear que
da lugar en la superficie del sol. Tomando en cuenta la cantidad de energía que
genera este proceso, la tierra recibe menos de una millonésima parte, de la cual
proporcionalmente con el tamaño de nuestro planeta es una gran cantidad de
energía.
La radiación solar que es percibida por la superficie terrestre puede ser
transformada en energía eléctrica y/o calorífica, y que puede ser utilizada de
manera directa como energía para la producción de vapor (Solar Térmica) y para la
generación de energía eléctrica (Solar Eléctrica).
Dicho lo anterior, en un año, el sol proporciona a la tierra la energía
equivalente a 60 millones de toneladas de petróleo, por lo que de acuerdo a la
Asociación Nacional de Energía Solar (ANES), si se lograra convertir tan solo el 1%
de tal energía en energía eléctrica, podríamos producir el equivalente a la
electricidad utilizada en todo el territorio mexicano durante el año de 1996.
Celdas Solares
Una celda solar o celda fotovoltaica es un instrumento que genera
electricidad directamente de la luz visible, debido al efecto fotovoltaico. Para poder
Seguidor Solar.
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generar energía útil, se deben interconectar un cierto número de celdas para
formar un panel solar, también conocido como un módulo fotovoltaico.
Generalmente, la cantidad de poder que se genera con un panel solar es de
12 voltios, los cuales se pueden utilizar de manera independiente o como conjunto
en una red. El número de celdas solares o el tamaño del panel solar lo determina
la cantidad de luz disponible, y la energía requerida.
La cantidad de energía generada por una celda solar es determinada por la
cantidad de luz que cae directamente sobre ella, lo cual a su vez está determinado
por el clima y la hora del día. En la mayoría de los casos resulta necesario
almacenar la energía generada, para así hacer mejor uso de las celdas solares.
Es posible conectar una red o arreglo de paneles de energía solar,
conformados por celdas solares o celdas fotovoltaicas, a la red eléctrica para
asistir a los paneles solares cuando la energía requerida es mayor a la energía
generada. Estos costos pueden recuperarse al vender los excedentes de energía
producidos a la compañía eléctrica.
Las celdas solares generalmente están hechas a base de silicón, el mismo
material que se utiliza para transistores y circuitos integrados. El silicón es tratado
para que cuando le llegue la luz, se liberen los electrones, generando una
corriente eléctrica.
Celdas solares amorfas
La tecnología amorfa es comúnmente utilizada en los paneles solares
pequeños, como en las calculadoras y lámparas de jardín, aunque cada vez son
más usadas para paneles de mayor tamaño.
Están conformadas de una película de Silicón depositada sobre otra lámina
de materiales como el acero. El panel se forma de una sola pieza y las celdas
individuales no son tan visibles como en otro tipo de paneles. La eficiencia de los
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paneles solares de celdas amorfas no es tan alta como la de aquellos paneles
conformados por celdas solares individuales.
Celdas solares cristalinas
Las celdas solares cristalinas se interconectan unas con otras para formar
paneles solares. Cada celda solar produce un voltaje individual de 0.5 a 0.6 volts,
se requieren 36 celdas solares o celdas fotovoltaicas para producir un circuito
abierto de cera de 20 volts. El cual es suficiente para cargar una batería de 12
volts.
Las celdas solares monocristalinas, se cortan de una sola pieza de cristal
de silicón, mientras que las celdas solares policristalinas se hacen a base de
múltiples cristales.
La forma más común de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico,
en el cual la luz que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas
produce una diferencia del fotovoltaje o del potencial entre las capas. Este voltaje
es capaz de conducir una corriente a través de un circuito externo de modo de
producir trabajo útil.
Orígenes de las celdas solares
Aunque las celdas solares eficientes han estado disponibles recién desde
mediados de los años 50, la investigación científica del efecto fotovoltaico
comenzó en 1839, cuando el científico francés, Henri Becquerel descubrió que
una corriente eléctrica podría ser producida haciendo brillar una luz sobre ciertas
soluciones químicas.
Seguidor Solar.
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El efecto fue observado primero en un material sólido (el metal selenio) en
1877. Este material fue utilizado durante muchos años para los fotómetros, que
requerían de cantidades muy pequeñas de energía. Una comprensión más
profunda de los principios científicos, fue provista por Albert Einstein en 1905 y
Schottky en 1930, la cual fue necesaria antes de que celdas solares eficientes
pudieran ser confeccionadas. Una célula solar de silicio que convertía el 6% de la
luz solar que incidía sobre ella en electricidad fue desarrollada por Chapin,
Pearson y Fuller en 1954, y esta es la clase de célula que fue utilizada en usos
especializados tales como satélites orbitales a partir de 1958.
Las celdas solares de silicio disponibles comercialmente en la actualidad
tienen una eficiencia de conversión en electricidad de la luz solar que cae sobre
ellas de cerca del 18%, a una fracción del precio de hace treinta años. En la
actualidad existen una gran variedad de métodos para la producción práctica de
celdas solares de silicio (amorfas, monocristalinas o policristalinas), del mismo
modo que para las celdas solares hechas de otros materiales (seleniuro de cobre
e indio, teluro de cadmio, arseniuro de galio, etc.).
Elaboración de las celdas solares
Las celdas solares de silicio se elaboran utilizando planchas (wafers)
monocristalinas, planchas policristalinas o láminas delgadas. Las planchas
monocristalinas (de aproximadamente 1/3 a 1/2 de milímetro espesor) se cortan
de un gran lingote monocristalino que se ha desarrollado a aproximadamente
1400°C, este es un proceso muy costoso. El silicio debe ser de una pureza muy
elevada y tener una estructura cristalina casi perfecta.
Las planchas policristalinas son realizadas por un proceso de moldeo en el
cual el silicio fundido es vertido en un molde y se lo deja asentar. Entonces se
rebana en planchas. Como las planchas policristalinas son hechas por moldeo son
apreciablemente más baratas de producir, pero no tan eficiente como las celdas
Seguidor Solar.
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monocristalinas. El rendimiento más bajo es debido a las imperfecciones en la
estructura cristalina resultando del proceso de moldeo.
En los dos procesos anteriormente mencionados, casi la mitad del silicio se
pierde como polvo durante el cortado. El silicio amorfo, una de las tecnologías de
lámina delgada, es creado depositando silicio sobre un substrato de vidrio de un
gas reactivo tal como silano (SiH4). El silicio amorfo es una de grupo de
tecnologías de lámina delgada. Este tipo de célula solar se puede aplicar como
película a substratos del bajo costo tales como cristal o plástico. Otras tecnologías
de lámina delgada incluyen lámina delgada de silicio multicristalino, las celdas de
seleniuro de cobre e indio/sulfuro de cadmio, las celdas de teluro de
cadmio/sulfuro del cadmio y las celdas del arseniuro de galio. Las celdas de
lámina delgada tienen muchas ventajas incluyendo una deposición y un
ensamblado más fácil, la capacidad de ser depositadas en substratos o materiales
de construcción baratos, la facilidad de la producción en masa, y la gran
conveniencia para aplicaciones grandes.
En la producción de celdas solares al silicio se le introducen átomos de
impurezas (dopado) para crear una región tipo p y una región tipo n de modo de
producir una unión p-n. El dopado se puede hacer por difusión a alta temperatura,
donde las planchas se colocan en un horno con el dopante introducido en forma
de vapor. Hay muchos otros métodos de dopar el silicio. En la fabricación de
algunos dispositivos de lámina delgada la introducción de dopantes puede ocurrir
durante la deposición de las láminas o de las capas.
Un átomo del silicio tiene 4 electrones de valencia (aquellos más débilmente
unidos), que enlazan a los átomos adyacentes. Substituyendo un átomo del silicio
por un átomo que tenga 3 o 5 electrones de la valencia producirá un espacio sin
un electrón (un agujero) o un electrón extra que pueda moverse más libremente
que los otros, ésta es la base del doping. En el doping tipo p, la creación de
agujeros, es alcanzada mediante la incorporación en el silicio de átomos con 3
electrones de valencia, generalmente se utiliza boro. En el dopaje de tipo n, la
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creación de electrones adicionales es alcanzada incorporando un átomo con 5
electrones de valencia, generalmente fósforo.
Una vez
que se crea una
unión p-n,
se
hacen
los
contactos
eléctricos
al
frente y en la
parte
de
posterior
la
célula
evaporando
pintando
metal
o
con
la
plancha. La parte posterior de la plancha se puede cubrir totalmente por el metal,
pero el frente de la misma tiene que tener solamente un patrón en forma de rejilla
o de líneas finas de metal, de otra manera el metal bloquearía al sol del silicio y no
habría ninguna respuesta a los fotones de la luz incidente.
Funcionamiento
Para entender la operación de una célula fotovoltaica, necesitamos
considerar la naturaleza del material y la naturaleza de la luz del sol. Las celdas
solares están formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y
silicio tipo n. La luz de ciertas longitudes de onda puede ionizar los átomos en el
silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas
positivas ("agujeros") de las cargas negativas (electrones) dentro del dispositivo
fotovoltaico. Los agujeros se mueven hacia la capa positiva o capa de tipo p y los
electrones hacia la negativa o capa tipo n. Aunque estas cargas opuestas se
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atraen mutuamente, la mayoría de ellas solamente se pueden recombinar
pasando a través de un circuito externo fuera del material debido a la barrera de
energía potencial interno. Por lo tanto si se hace un circuito se puede producir una
corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen
que pasar a través del circuito para recombinarse con los agujeros positivos.
La cantidad de energía que entrega un dispositivo fotovoltaico está determinado por:
El tipo y el área del material
La intensidad de la luz del sol
La longitud de onda de la luz del sol
Por ejemplo, las celdas solares de silicio monocristalino actualmente no
pueden convertir más el de 25% de la energía solar en electricidad, porque la
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radiación en la región infrarroja del espectro electromagnético no tiene suficiente
energía como para separar las cargas positivas y negativas en el material.
Las celdas solares de silicio policristalino en la actualidad tienen una eficiencia
de menos del 20% y las celdas amorfas de silicio tienen actualmente una
eficiencia cerca del 10%, debido a pérdidas de energía internas más altas que las
del silicio monocristalino.
Una típica célula fotovoltaica de silicio monocristalino de 100 cm2 producirá
cerca de 1.5 vatios de energía a 0.5 voltios de Corriente Continua y 3 amperios
bajo la luz del sol en pleno verano (el 1000Wm-2). La energía de salida de la
célula es casi directamente proporcional a la intensidad de la luz del sol. (Por
ejemplo, si la intensidad de la luz del sol se divide por la mitad la energía de salida
también será disminuida a la mitad).
Una característica importante de las celdas fotovoltaicas es que el voltaje
de la célula no depende de su tamaño, y sigue siendo bastante constante con el
cambio de la intensidad de luz. La corriente en un dispositivo, sin embargo, es casi
directamente proporcional a la intensidad de la luz y al tamaño. Para comparar
diversas celdas se las clasifica por densidad de corriente, o amperios por
centímetro cuadrado del área de la célula.
La potencia entregada por una célula solar se puede aumentar con bastante
eficacia empleando un mecanismo de seguimiento para mantener el dispositivo
fotovoltaico directamente frente al sol, o concentrando la luz del sol usando lentes
o espejos. Sin embargo, hay límites a este proceso, debido a la complejidad de los
mecanismos, y de la necesidad de refrescar las celdas. La corriente es
relativamente estable a altas temperaturas, pero el voltaje se reduce, conduciendo
a una caída de potencia a causa del aumento de la temperatura de la célula.
Otros tipos de materiales fotovoltaicos que tienen potencial comercial incluyen el
diselenide de cobre e indio (CuInSe2) y teluo de cadmio (CdTe) y silicio amorfo
como materia prima.
Seguidor Solar.
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Diseño del seguidor solar.
Metodología
Para la realización del seguidor solar se debe proceder al desarrollo de los
siguientes pasos, los cuales nos darán cada vez las pautas a seguir para el
correcto desempeño del mismo.
En primera instancia se analiza la existencia de seguidores solares de
cualquier tipo alcanzable dentro del mercado competitivo más cercano,
encontrando solamente seguidores de venta en internet y haciendo su adquisición
vía paquetería, por lo que no se contó con la oportunidad de analizarlos de forma
presencial. Una vez realizada esta tarea se debe proceder a identificar cuáles son
las características distintivas o de valor para cada tipo de seguidor. Alcanzado el
Seguidor Solar.
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punto referencial, se debe considerar la proyección del diseño de un modelo que
presente ventajas de desempeño, mayor economía en algún aspecto y en esencia
que sea un diseño más robusto e íntegro.
En este seguidor solar se implementará la utilización de un PIC555, el cual
será el encargado de realizar la tarea de comparación entre las diferentes lecturas
de resistencia que arrojarán dos fotoceldas situadas en la parte superior del eje y
al lado del área efectiva. Asimismo se necesitará la elaboración de un “puente h”
para invertir las polaridades del motor de corriente directa y otros componentes del
sistema que realizarán tareas diversas dentro del circuito electrónico.
Otra parte básica y complementaria del diseño seguidor solar aquí
proyectado, es la parte mecánica, la cual se encarga de realizar los movimientos
necesarios para promover la maximización de la eficiencia. Esta parte se
encuentra conformada por un moto-reductor que se encarga de reducir de manera
considerable las revoluciones del motor de corriente directa, donde una vez que
este gira transmite por medio de fricción un torque hacia una polea situada en el
eje del modulo solar.
Una vez finalizado y montado el diseño electrónico y mecánico es cuestión
de montaje del sistema completo en su área proyectada de trabajo, donde al
inicializar el sistema realiza por sí mismo una búsqueda inicial de comparación de
intensidad luminosa.
Recursos empleados
Para la realización del seguidor solar proyectado y ejecutado por el equipo
de investigación, fueron efectuados algunos bocetos a mano alzada que abrieron
las expectativas y el análisis de áreas de oportunidad para la mejora del diseño,
mostrando problemas de distancias, espacios y limites de movimiento que llevan
Seguidor Solar.
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consigo tiempo y desgaste tanto de materiales como de mano de obra al ser
errores cometidos.
El desarrollo de todo trabajo de materiales fue realizado en el taller pesado
del Instituto Tecnológico Superior de Arandas, contando con toda la herramienta
ahí facilitada y con toda la asesoría que pudiese ser requerida por el equipo
desarrollador.
La parte teórica ha sido desarrollada en las diversas aulas del instituto
anteriormente mencionado, aprovechando los recursos que emplean los docentes
del instituto y libros de la biblioteca escolar.
Diseño Electrónico
Seguidor Solar.
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PIC555
Básicamente este circuito integrado realiza la tarea de comparador de
voltaje, cotejando los voltajes mediante las dos fotorresistencias que captan la
sensibilidad luminosa y variando una resistencia que reduce el voltaje que llega al
circuito integrado, donde una vez comparado genera un pulso que pueda mover
positiva o negativamente el modulo fotovoltaico.
Relevadores
Los relevadores realizan la tarea de más “peso” en el circuito electrónico, ya
que son los encargados de manejar la tensión plena que se manda al motor
(12VDC) activado por un pulso que puede ser manejado a partir de los 3.5 VDC.
Estos dos relevadores en conjunto suelen ser conocidos como “Puente h” los
cuales hacen una tarea de invertir las dos polaridades con las que trabaja el motor
de corriente directa, permitiendo funcionar a manera positiva tanto como negativa.
Microswitch
Los microswitch’s realizan la tarea de limitantes, siendo los que limitan los
movimientos angulares del modulo, siendo topes para que el modulo no abra o
cierre de mas y activadores/desactivadores de los movimientos angulares. Estos
microswitch’s pueden ser de distintas formas y capacidades, no afectando la
funcionalidad del proyecto.
Batería
Esta batería funciona como un banco de poder que mantiene al equipo
probando constantemente a manera de milisegundos para proveer los
movimientos angulares para el incremento de la captación solar, pudiendo ser
recargada por la generación del mismo módulo, o manteniendo una carga
totalmente independiente al mismo.
Seguidor Solar.
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Algoritmo de funcionamiento
El diseño de este sistema electrónico debe respetar una cadena para su
funcionamiento, siendo la siguiente:
Diseño Mecánico
Eje
El eje del proyecto seguidor ha sido elaborado de una barra de acero al
carbón de 3/8” con terminado en cromo al vanadio, ofreciendo una solidez firme y
estética limpia con resistencia al oxido y corrosión.
Soportes
Los soportes de la barra que funge como eje, así como de los soportes que
rodean en él mismo soportando el modulo han sido elaborados con solera de
aluminio de ½”x1/8”, las cuales dan la macicez esperada y reducen el peso en
contraste con solera de acero al carbón, aunado a la estética y resistencia al oxido
y corrosión.
Seguidor Solar.
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Poleas
Las poleas diseñadas para este proyecto seguidor solar han sido
elaboradas objetivamente para el proyecto con la ayuda de una maquina de torno,
siendo una polea de 2 ½” con una liga intermedia en su circunferencia y otra polea
de 1” que funciona por medio de transferencia de torque mediante fricción entre
las mismas.
Moto-reductor
El moto-reductor funge como convertidor inversamente proporcional entre
las revoluciones y el torque, reduciendo la cantidad de vueltas que genera el motor
y convirtiéndola en una cantidad menor de vueltas y a su vez aumentando la
potencia para mover con mayor facilidad el o los módulos instalados.
Modulo Fotovoltaico
El modulo fotovoltaico puede ser de diversas potencias, tensiones, formas y
estructuras, para lo cual el presente proyecto ha sido trabajado con un modulo
policristalino CNPV-10M, el cual posee una tensión de trabajo de 12 VDC y las
siguientes características:
Tensión de trabajo: 12VDC
Potencia nominal máxima: 10WP
Tolerancia de poder ±5%
Tensión máxima (VMP): 18v
Corriente máxima (IMP): 0.56A
Voltaje en circuito abierto (VOC):22.5v
Corriente en corto circuito (ISC): 0.62ª
Seguidor Solar.
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Sujeción
La sujeción de los diferentes componentes del sistema ha sido realizada
mediante diferentes materiales y accesorios, de los cuales podemos señalar como
pijas, tornillos, silicón, pegamento, etc. Poniendo a consideración del instalador y
del área a posicionar los materiales más adecuados para su fijación, poniendo a
criterio la máxima duración del equipo.
Fijación
La fijación al sitio de trabajo debe ser considerada mediante taquete de
expansión y/o taquete estándar, ya que el equipo seguidor debe contar con una
fijación que no permita que vientos menores a 80km/h influyan en su
funcionamiento.
Motor
El motor proyectado para el correcto funcionamiento y desempeño del
seguidor solar es un motor de 12 Voltios que trabaje con corriente directa, puesto
que este tipo de motores trabaja mediante pulsaciones y con velocidades
regulables y/o variables que permitan que el seguidor pueda desempeñar su labor
de manera optima.
Movimiento del Módulo
El movimiento del modulo fotovoltaico mediante este seguidor solar
especifico es un movimiento angular en torno al eje de sujeción que mantiene al
modulo, por lo que este se debe posicionar cuidadosamente centrado a la mitad
para mantener un movimiento equilibrado y correcto a la hora de posicionarse
perpendicularmente hacia los rayos solares.
Seguidor Solar.
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Ventajas y Desventajas del Seguidor solar.
Ventajas
Un seguidor solar es una máquina autómata diseñada por el hombre que
cuenta con una parte fija y otra móvil que dispone de una superficie de captación
solar lo mas perpendicular al sol posible a lo largo del día y dentro de sus rangos
de movimiento que le permiten aumentar la eficiencia o rendimiento productivo a
la pantalla fotovoltaica mediante su área efectiva. Dicho esto, y como todo en la
ciencia y en la vida, tiene sus puntos a favor, así como sus contras que se
presentaran en líneas posteriores.
Una de las ventajas más notables para un seguidor solar autómata es la
incrementación de la eficiencia para la producción de energía eléctrica, postrando
los módulos fotovoltaicos perpendiculares al sol el mayor tiempo posible para el
mayor aprovechamiento del ciclo solar.
Seguidor Solar.
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La tabla anterior muestra en esencia una comparativa breve entre la
producción solar de energía mediante un módulo fijo (Expresada en
KWh
/diaM2) y
un módulo de mismas características pero con un seguidor solar agregado,
obteniendo los respectivos porcentajes de eficiencias contrastadas mensualmente.
El mantenimiento de este tipo de equipos es meramente mínimo, puesto
que el motor y sus componentes electrónicos que puedan ser más susceptibles a
la lluvia e intemperie se encuentran protegidos por el modulo mismo y por el
diseño de sus respectivos medios de cuidado.
Asimismo, el equipo de investigación objeta en el desarrollo del seguidor
aquí expuesto, el cual posee una ventaja competitiva en contraste con la mayoría
de otros seguidores en el mercado, los cuales son programables para seguir una
trayectoria con respecto del día, la hora y la estación del año, en comparación con
el seguidor aquí presentado, el cual realiza puntos de comparación luminosa con
respecto de la trayectoria del eje lineal al que obedece, llevando a cabo pequeños
movimientos bidireccionales que posicionan el área efectiva de captación en el
punto con mayor índice luminoso.
Desventajas
El seguidor solar al cual objeta el presente documento posee ciertas
características no muy favorables para el correcto desempeño del mismo, para lo
cual los desarrolladores consideran que son desventajas aglomeradas que no
pueden presentarse en situaciones comunes, sino solo en situaciones específicas.
La primera desventaja que posee el seguidor solar aquí desarrollado es mediante
la radiación difusa en días nublados, para lo cual el funcionamiento comparador
del seguidor simplemente ubicara el panel al mayor punto luminoso, no existiendo
un claro panorama para ubicarlo en algún modo de seguridad.
Seguidor Solar.
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Por otra parte siguiente desventaja con la cual todos los seguidores cuentan
es la dependencia del banco de baterías, ya que el motor que se utiliza requiere la
tensión y la corriente que una batería aparte, la cual si no puede ser cargada por
un tiempo considerable puede ocasionar problemas técnicos.
Cálculo del ángulo de giro óptimo del modulo fotovoltaico
Latitud
Representa la distancia angular existente entre un determinado punto de la
superficie terrestre y el Ecuador, medida a lo largo del meridiano que pasa por ese
punto (por el camino más corto). Se mide en grados, entre -90° y 90°; los valores
negativos corresponden al hemisferio Sur y los positivos, al Norte.
En esta ocasión se tomará la latitud de Arandas, Jalisco. México: 20º54'30"N
Longitud
Expresa la distancia angular entre un punto determinado de la superficie
terrestre y el meridiano que se tome como meridiano de origen, medida a lo largo
de un paralelo (una circunferencia de latitud constante). Actualmente se emplea
como origen el meridiano de Greenwich que se define como la semicircunferencia
imaginaria que une los polos y pasa por el antiguo observatorio de Greenwich
(Londres). Se expresa en grados, entre -180° y 180°, siendo positivo hacia el
Oeste.
En esta ocasión se tomará la longitud de Arandas, Jalisco. México:
102º00'45"O.
Seguidor Solar.
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Angulo Anual
Este ángulo se obtiene multiplicando el número de días transcurridos desde
el último Solsticio de invierno por 360° y dividiéndolo por el número de días que
tiene el año, es decir 366 si es bisiesto y 365 si no lo es.
Como Solsticio de invierno se toma el del hemisferio Norte: el 21 de diciembre.
El ángulo anual es una medida aproximada de la posición de la Tierra en su órbita
alrededor del Sol.
Angulo de los trópicos
Se refiere a la latitud de los trópicos en valor absoluto, es de 23°5’ Norte.
Determinación de la posición del sol
El vector posición del Sol representa las coordenadas de un unitario en la
dirección del Sol con respecto al Este, al Sur y a su altura, en un punto de la
superficie Solar en un momento genérico.
Siendo los distintos parámetros los ángulos que, se han explicado
anteriormente:
Seguidor Solar.
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δ: ángulo horario
β: longitud
α: latitud
φ: ángulo de los trópicos
γ: ángulo anual
Se define el ángulo ϕ como: sen(ϕ )=sen(φ)−cos(γ), representa el ángulo de
inclinación de los rayos Solares respecto a la perpendicular al Ecuador en ese
momento del año.
Ángulos representativos de la posición del sol
Se van a utilizar un ángulo horizontal θH y otro vertical θV para definir la
posición del Sol. El primero es la orientación de la proyección de la posición del
Sol, mientras que el segundo mide la inclinación respecto a la horizontal de la
posición Solar.
El ángulo horizontal tiene como referencia el Norte y va en sentido horario,
es decir en el Norte = 0°θH y en el Este = 90°θH. La referencia del ángulo vertical
es la horizontal con = 0°θV, mientras que = 90°θV en la vertical.
Se calculan estos ángulos para una posición solar cualquiera con la ayuda
del vector posición del Sol:
Seguidor Solar.
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Angulo de giro optimo del modulo fotovoltaico
En este apartado se va a calcular el ángulo óptimo en el que tiene que estar
el modulo fotovoltaico en cada momento para conseguir que la captación de
energía Solar por el panel sea máxima.
Vector normal al modulo fotovoltaico
Seguidor Solar.
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En la figura anterior se representa el modulo fotovoltaico por la línea azul
(visto de canto), este tiene una inclinación i respecto al suelo (plano xy). El vector
n es normal al panel Solar y, éste tiene que ser lo más perpendicular posible a los
rayos Solares para que la captación de energía Solar sea máxima.
Para realizar los cálculos se ha escogido el sistema de coordenadas x’y’z’ que
tienen la relación siguiente con el sistema xyz:
En primer lugar se obtienen las coordenadas en el sistema x’y’z’ del vector normal
al panel Solar si éste ha girado r grados:
n'= (−cos(r);−sen(r);0)
Seguidor Solar.
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Se toma r positivo en sentido horario y negativo en sentido antihorario
según lo dibujado, mirando el panel desde el lado elevado. Expresado en el
sistema de coordenadas x, y, z:
Dirección de los rayos solares
Para calcular la relación inversa que nos permita obtener las coordenadas a
partir de los ángulos horizontal y vertical, resulta de utilidad un vector auxiliar
horizontal que pertenece al plano xy, que corresponde al suelo del lugar en el que
se vaya a instalar el seguidor solar. Este vector es la proyección del vector unitario
de posición solar sobre el plano xy. Tiene una longitud cos(θV) y una orientación
θH.
Seguidor Solar.
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Se define el vector s referido al sistema de coordenadas xyz que representa
la dirección de los rayos Solares:
Angulo optimo de inclinación
Para minimizar el ángulo entre los vectores n y s, ya que queremos que
sean lo más paralelos posible, se maximiza el producto escalar entre los dos.
El ángulo de giro óptimo del panel Solar para un momento cualquiera del
día queda finamente expresado como:
Seguidor Solar.
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Experiencias de práctica de prueba
Experiencia 1: La primera prueba realizada por el equipo de investigación
se percato que la liga con la cual se transmitían el movimiento por fricción entre
las dos poleas era bastante delgada y no presentaba la fuerza necesaria para el
movimiento del panel y se cambio por una de un diámetro mayor.
Experiencia 2: El moto-reductor no estaba bien fijado en la base, lo cual
provocaba movimiento brusco e inestabilidad en el giro del panel, le colocamos
una abrazadera de la parte central y se logró la estabilidad.
Experiencia 3: La altura asignada al seguidor solar fue muy corta por lo
tanto no se apreciaba el movimiento pleno y se optó por extenderlo 8 cm más.
Experiencia 4: Los microswitch se encontraban alejados del panel y el
espacio que se tenía para montarlo era pequeño, se tuvieron que aumentar los
límites de seguridad recorriendo los microswitch.
Experiencia 5: El seguidor solar funcionó como se esperaba pero le faltaba
un poco de color y combinación con el panel y los cables del circuito, por lo tanto
se barnizó de color gris industrial para que brindara mejor aspecto.
Seguidor Solar.
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Conclusiones
Después de trabajar arduamente en el presente proyecto se puede concluir
que los objetivos marcados al inicio del trabajo se cumplieron de forma
satisfactoria.
Primero que nada porque se consiguió la implementación del sistema
mecánico sencillo y económico de un seguidor solar y con un diseño robusto por
las piezas metálicas que lo conformaron pero a la vez flexibles.
Por la otra parte se logró un funcionamiento correcto, tanto en la parte
electrónica como la mecánica que contenía piezas moldeadas y maquinadas;
fabricadas y adaptadas por el mismo equipo de investigación, logrando que las
piezas fueran de bajo costo pero con buena calidad.
A partir de la presentación del seguidor solar a la comunidad Arandense se
impulsó la cultura del uso de las energías renovables ya que muchos carecían de
la información necesaria y aplicación de los paneles solares, a un más del
funcionamiento de un seguidor solar.
Por último cabe hacer mención que durante las horas invertidas en el
presente trabajo de investigación se aprendió que las partes componentes del
sistema fueron económicas gracias al diseño que se realizó para la elaboración
del proyecto.
Seguidor Solar.
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Bibliografía
Hamilton H., M., & F. Reinholtz, C. (2004). Trenes de engranes. En Mecanismos y
dinámica de maquinaria (págs. 279-310). México D.F.: Limusa wiley.
Ogata, K. (2003). Diseño de sistemas de Control en el espacio de estados. En
Ingeniería de Control Moderna. (págs. 826-897). España: PRENTICE HALL.
EPIA
(European Photovoltaic Industry Association). Global Market Outlook for
photovoltaics until 2013.
Feina S.L. Manual de la instalación del seguidor Solar.
www.tracker.cat
La Quiuz Energías renovables. Técnica empleada en las instalaciones
fotovoltaicas.
www.laquiuz.es
Isidoro Martínez. Termodinámica de la atmósfera.
Empresa Meca Solar.
www.mecaSolar.com
Seguidor Solar.
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Diseño De Un Seguidor Solar Para Eficientar la Captación De la

Transcripción

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