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5.6 ANÁLISIS ECONÓMICO
Para la implementación del sistema se hizo una inversión inicial de $163,000.00 en la adquisición de todos los elementos sin contemplar gastos de ingeniería los cuales se estimaron en $40,000.00, haciendo un total de $202,000.00.
Después de la implementación del sistema, el primer recibo que se percibió fue de $90.00, obteniendo un ahorro de $4,900.00. Tomando en cuenta que el recibo llega bimestralmente se logra un ahorro anual de $29,400.00.
Además con la alimentación de las bombas para el posicionamiento de los calentadores solares, se obtuvo un ahorro en la cuenta del gas de $300.00 bimestrales, con esto se obtiene un ahorro anual de $1,800.00.
Tomando en cuenta el ahorro que se obtiene en ambos sistemas se tiene un total anual de $31,200.00, con esto la inversión inicial se recupera en 6 años 5 meses.
Concepto Costo 10 Celdas Fotovoltaicas 4 Baterías 2 Inversores 12 V 2 Reguladores $ 96000.00 Estructura $ 25000.00 1 Sensor c/controlador $ 8000.00 2 Moto reductores con niño de aluminio de
relación 900:1, 1 HP $ 11,716.00 Mecanismos de viela-manivela oscilador $ 8000.00
2 poleas chica $ 250.00
2 poleas grandes $ 1080.00
1 Buje $ 240.00
1 banda dentada modelo 630 $ 318.00 1 banda dentada modelo 540 $ 268.00
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5.7 CONCLUSIONES.
Al concluir éste trabajo de tesis se logró cumplir con los objetivos planteados. Demostrando que mediante la integración de sistemas de control, sistemas mecánicos y sensores se logra aumentar la eficiencia en la obtención de energía eléctrica, mediante la recolección y absorción de energía solar captada por módulos fotovoltaicos.
Como se puede apreciar en los resultados obtenidos en el capítulo IV donde se muestra claramente que se tiene un aumento considerable en la potencia eléctrica cuando el sistema se encuentra enfocado, es decir ambos ejes de giro están siguiendo la posición del sol, en comparación con el sistema sin ser enfocado.
El sistema de absorción de energía solar consta de 10 módulos fotovoltaicos los cuales como se menciono anteriormente, pueden generar una potencia máxima nominal de 1300 W a una irradiancia de 1000 W/m2.
Por lo que en los resultados presentados en la tabla 5.3 que corresponden a la prueba realizada con ambos ejes desenfocados se logró una potencia eléctrica de 278.43 W, con una irradiancia de 600 W/m2, cabe mencionar que este valor varía de acuerdo a la época del año, estas pruebas se realizaron en el mes de noviembre donde la intensidad de irradiación solar disminuye, comparado con los meses de abril y mayo donde se alcanza una irradiación de 1000 W/m2, en la localidad de Jiutepec en el estado de Morelos, donde se realizó la puesta en marcha y la obtención de resultados experimentales.
Por otra parte los resultados que se presentan en la tabla 5.4 corresponden a la prueba con ambos ejes enfocados es decir el marco inferior siguiendo la trayectoria del sol durante el año en la dirección (Norte-Sur) y el marco superior siguiendo la trayectoria solar durante el día en la dirección (Este-Oeste), donde se obtuvo una potencia eléctrica de 1034.7 W, con estos resultados se aprecia un aumento del 78.95% en base al valor de potencia máxima nominal anteriormente mencionado.
Es importante que ambos ejes sigan la trayectoria solar ya que como se aprecia en las tablas 5.1 y 5.2, donde solo un eje es enfocado, se obtuvo 551.98 W y 451.28 W respectivamente, generando aproximadamente el 42 % de potencia eléctrica en base a el valor nominal.
Con el posicionamiento de los módulos en ambos ejes se comprobó que la corriente nominal así como la potencia nominal entregada por el sistema se duplicó, y de esta manera se logra alimentar una mayor carga.
Ahora bien el sistema completamente enfocado comenzó su operación a partir de las 10:00 a.m. y se realizó un monitoreo de los ángulos de inclinación de los dos marcos. El marco inferior comenzó con un ángulo 1= 36º y el marco superior 2= 30º estos resultados se observan en la tabla 5.5. El marco inferior alcanza su posición máxima de 39º alrededor de las 12:00 p.m. esta posición se mantiene constante parte del otoño e invierno y cambiara en la siguiente estación, sin embargo el marco superior alcanza diferentes posiciones durante el día y se observó que durante la mañana se tienen
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cambios en el ángulo de inclinación cada 10 minutos. A partir de las 13:00 pm los cambios fueron más continuos alrededor de cada 5 ó 7 minutos hasta llegar a su ángulo máximo de 50º concluyendo la operación a las 16:00 p.m. que es cuando se regresa el sistema a su posición inicial (ambos marcos horizontales).
Para lograr controlar el sistema y enviar las órdenes a los actuadores, se realizó la programación en un PLC (Controlador Lógico Programable), y mediante el sensor solar se envía la señal al controlador del sensor cuando el sistema se encuentra desenfocado. Esta señal analógica es acondicionada en el controlador del sensor y posteriormente enviada al PLC. La señal de salida del PLC se manda a la etapa de potencia para que accione los dos motores monofásicos de corriente alterna.
Se selecciono una transmisión de corona-sinfin con la finalidad de reducir la velocidad del motor de cuatro polos, ya que es necesario que el sistema accione a muy baja velocidad. Este tipo de transmisión fue la más viable ya que no existen comercialmente variadores de velocidad monofásicos que operen a la velocidad requerida.
Es importante señalar que dentro de los objetivos se planteo la obtención del modelo matemático del sistema así como el diseño de un sistema de control, por lo que estos también fueron alcanzados ya que se obtuvieron dos ecuaciones no lineales las cuales se emplearon para simular el comportamiento real del sistema con la ley de control propuesta en este trabajo de tesis.
Dentro de los resultados que se obtuvieron se puede apreciar en el capítulo III que el controlador logra estabilizar el sistema en un intervalo de tiempo muy corto es decir el sistema alcanza la posición deseada rápidamente por lo que si es necesario que se estabilice lentamente, se cambia la ubicación de los polos modificando las ganancias del controlador.
Por lo que este controlador presentó un desempeño aceptable en simulación ya que logra estabilizar al sistema y alcanzar la posición deseada con un mínimo error. Por lo que si se implementara este controlador en el sistema real podría generar resultados.
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5.8 TRABAJO A FUTURO
Para aumentar la eficiencia del sistema se propone:
Implementar en la parte eléctrica del sistema un arrancador suave con la finalidad de disminuir la inercia del mecanismo, ya que por el peso de ambos marcos se pasan de la referencia indicada. Por lo que al arrancar el motor de forma más suave el sistema se posicionara en el ángulo deseado.
Modificar la parte mecánica, aumentando el diámetro de la polea de salida en la transmisión del sistema, para disminuir la velocidad del motor y de esa manera ayudar a la parte eléctrica a tener un arranque suave y eliminar el problema anteriormente indicado. Modificar el controlador del sensor ya que el empleado en este trabajo no se puede hacer modificaciones en el tiempo de espera entre correcciones de seguimiento. Lo cual impide hacer pruebas a cerca del comportamiento del sensor con respecto al sistema y verificar si es necesario aumentar o disminuir el tiempo de respuesta del sensor. En las especificaciones del controlador mostradas en el Apéndice E, se explica que el tiempo de retardo por ejemplo de 50 segundos permite 1/4 de grado de seguimiento de precisión, un tiempo de retardo de 25 segundos permite 1/8 de grado de precisión. Por lo que sería importante verificar cómo se comporta el sistema con la modificación de estos parámetros.
Implementar la ley de control propuesta en este trabajo de tesis en el sistema físico y verificar su comportamiento.
Implementar otras leyes de control y comprobar cuál de ellas presentan un mejor desempeño tanto en simulación así como en el modelo físico.
Cabe mencionar que existen comercialmente módulos fotovoltaicos con mayor potencia nominal de hasta 240 W por lo que podría contemplarse la selección de estos, si en un futuro se requiere hacer otra instalación y con ello disminuir las dimensiones de la estructura donde se montaron los módulos o bien aumentar la potencia de salida y lograr alimentar una mayor carga.
Al disminuir la estructura se podría seleccionar motores más pequeños de corriente directa los cuales son más simples y precisos en implementaciones donde se requiere controlar la posición, que con motores monofásicos de corriente alterna empleados en este trabajo de tesis.