Implementación de un Seguidor Solar a Prototipo Generador de Agua Autosostenible

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(1)IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR A PROTOTIPO GENERADOR DE AGUA AUTOSOSTENIBLE. Juan David Espinosa Alfonso UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS.

(2) Implementación de un Seguidor Solar a Prototipo Generador de Agua Autosostenible. Juan David Espinosa Alfonso 20122073020. Director Ing. Msc Enrique Yamid Garzón Gonzales. Trabajo de grado para optar por el título de Tecnólogo en Electrónica. Bogotá D.C, Colombia 2018.

(3) HOJA DE ACEPTACIÓN. Implementación de un Seguidor Solar a Prototipo Generador de Agua Autosostenible. Observaciones _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________. _______________________________ Director del Proyecto Ing. Mcs. Enrique Yamid Garzón. _______________________________ Jurado 1. _______________________________ Jurado 2.

(4) Resumen El presente artículo discute el diseño e implementación de un seguidor solar horizontal de un solo eje, determinado a partir de un mecanismo de movimiento lineal y controlado mediante un sistema que rastrea la posición exacta del Sol al usar información simple como la latitud, longitud y hora local de donde se encuentre el panel, obteniendo el ángulo de elevación solar y posteriormente orientar la inclinación del panel solar. La energía solar obtenida de este seguidor puede usarse posteriormente para encender un sistema de generación de agua, especialmente cuando este prototipo este implementado en ubicaciones remotas, dando una mayor eficiencia energética y autonomía al prototipo, teniendo en cuenta las limitaciones mecánicas y las condiciones ambientales que influyen en el panel solar y por tanto en el almacenamiento de energía. Palabras clave: Angulo de elevación solar, actuador lineal, seguidor solar, perpendicular..

(5) Abstract In this paper discusses the design and implementation of a single-axis horizontal solar tracker, determined from a linear motion mechanism and controlled by a system that tracks the exact position of the Sun when using simple information such as latitude, longitude and time. Where the panel is located, obtaining the solar elevation angle and then orienting the inclination of the solar panel. The solar energy obtained from this follower can be used later to turn on a water generation system, especially when this prototype is implemented in remote locations, giving greater energy efficiency and autonomy to the prototype, taking into account the mechanical limitations and the environmental conditions that they influence the solar panel and therefore the energy storage. Key Words: Solar elevation angle, linear actuator, solar tracker, perpendicular..

(6) Contenido 1. Introducción 2. Objetivos 2.1. General 2.2. Específicos 3. Marco conceptual 3.1. Relaciones Astronómicas Sol – Tierra 3.1.1. Año Tropical 3.1.2. Días del Año 3.1.3. Posición angular de la Tierra en la órbita 3.1.4. Meridiano 3.1.5. Longitud 3.1.6. Latitud 3.1.7. Zona Horaria 3.1.8. Desplazamiento de tiempo 3.1.9. Tiempo Solar Verdadero 3.1.10. Tiempo Solar Medio 3.1.11. Ecuación del Tiempo 3.1.12. Declinación Solar 3.1.13. Hora angular 3.1.14. Movimiento diurno 3.1.15. Angulo Cenital 3.1.16. Angulo Azimut 4. Elementos Básicos de la Energía Solar 4.1. Panel Solar 4.2. Batería 4.3. Regulador de Carga 5. Definición de las Condiciones Ambientales 5.1. Consideraciones ambientales para el panel solar 5.1.1. Temperatura Ambiente 5.1.2. Sombra Orográfica 5.1.3. Brillo e Irradiación Solar 5.2. Consideraciones ambientales para el prototipo 5.2.1. Consideraciones Indirectas o con poca probabilidad 5.2.1.1. Lluvias Torrenciales y Tormentas Eléctricas 5.2.1.2. Vientos Fuertes 5.2.1.3. Polvo y Suciedad 5.2.2. Consideraciones Directas o que inciden sobre la potencia.

(7) 5.2.2.1. La Noche 5.2.2.2. La Fricción 5.2.2.3. El Peso 5.2.2.4. La Inercia 6. Diseño Mecánico 6.1. Diseño Base y Soporte 6.2. Selección del actuador 6.3. Libertad de Movimiento y Limitaciones 7. Control del Seguidor Solar 7.1. SunEarthTools.com 7.2. Diseño de programación 7.3. Diagrama Circuital 7.4. Angulo de Elevación y GPS 7.5. Implementación Codificador de cuadratura Rotacional 7.6. Etapa de Potencia 7.7. Otras Consideraciones 7.8. Voltímetro 7.9. Amperímetro 8. Resultados 8.1. Comparación del control angular 8.2. Comparación de energía generada 8.3. Comparación de Temperatura 8.4. Eficiencia de trabajo del panel solar 8.5. Rendimiento Seguidor Solar Conclusiones Agradecimientos Referencias.

(8) Índice de figuras Figura 1 Variación de la Ecuación de Tiempo en el año Figura 2 Angulo Declinación Solar Figura 3 Variación de la declinación en el año Figura 4 Movimiento aparente del sol en el transcurso del día Figura 5 Angulo de elevación y azimut Figura 6. Comportamiento celda fotovoltaica Figura 7. Modelo Circuital celda fotovoltaica Figura 8. Tipos de panel solar fotovoltaico Figura 9. Hoja Característica Panel Solar Figura 10. Batería Panel Solar MS12V100C Figura 11. Controlador de carga Panel Solar Figura 12. Representación circuital de un regulador de carga PWM [8] Figura 13. Curva I vs V [10] Figura 14. Distribución de Temperatura en Colombia [11] Figura 15. Temperatura de Bogotá D.C [11] Figura 16. Distribución de Precipitaciones en Colombia [11] Figura 17. Registro Histórico Precipitaciones Bogotá 1972-2016 [12] Figura 18. Precipitaciones en Bogotá D.C [11] Figura 19. Brillo Solar en Colombia [11] Figura 20. Registro Histórico Brillo Solar Bogotá 1972-2016 Figura 21. Irradiación solar en Colombia [4] Figura 22. Irradiación solar promedio en Bogotá 2017 Figura 23. Descripción movimiento seguidor Figura 24. Base y soporte Panel solar Figura 25. Mecanismo Actuador lineal.

(9) Figura 26. Características de Corriente y fuerza del actuador según su fabricante Figura 27. Ensamblaje actuador a la base Figura 28. Diseño de piezas en FreeCAD Figura 29. Pieza impresa Figura 30. SunEarthTools.com [5] Figura 31. Angulo de Elevación vs tiempo en marzo según SunEarthTools.com Figura 32. Diagrama de flujo Figura 33. Esquema Circuital Seguidor Solar Figura 34. Módulo GPS NEO6M Figura 35. Angulo de Elevación Calculado Figura 36. Codificador rotacional ky40 Figura 37. Canales del codificador rotacional Figura 38. Acople codificador rotacional ky40 al soporte del panel Figura 39. Controlador PWM 10A Figura 40. Conexión módulo relé – Controlador de velocidad Figura 41. Divisor de Voltaje Figura 42. Sensor de corriente ACS712 Figura 43. Seguidor Solar Terminado Figura 44. Comparación de Angulo de Elevación (4 de Abril de 2018) Figura 45. Comparación de Angulo de Encoder con ángulo de Control (4 de Abril de 2018) Figura 46. Comparación de Voltaje (V) del panel fijo y el seguidor solar (3-4 de Abril de 2018) Figura 47. Comparación de Corriente (A) del panel fijo y el seguidor solar (3-4 de Abril de 2018) Figura 48. Comparación de Voltaje del panel fijo y el seguidor (25-26 de Abril de 2018) Figura 49. Comparación de Corriente del panel fijo y el seguidor solar (25-26 de Abril de 2018).

(10) 1. Introducción Hoy en día el planeta está comenzando a sufrir las consecuencias del calentamiento global, debido al uso e implementación de energías basadas en petróleo y carbón que son altamente contaminantes. En consecuencia, a esta problemática muchos países han empezado a implementar energías alternativas a diversas tecnologías, en su mayor parte energía solar debido a que es el sistema más asequible, sin embargo, este tipo de energías dependen de mecanismos que permitan obtener energía de manera óptima, reduciendo todo tipo de efectos negativos en el medio ambiente. Dentro de estos mecanismos encontramos seguidores solares de un eje de rotación que producen entre un 20 a 30% más de energía en comparación a un panel solar fijo dependiendo su diseño, y seguidores solares de doble eje de rotación, que produce de un 25 a 40% más de energía en comparación a un panel fijo dependiendo su diseño. Estos seguidores pueden ser programados a partir de sensores de luz LDR o por posición angular del sol, sin embargo los sistemas programados por posición angular del sol suelen ser más eficientes ya que se trabajan con parámetros más específicos dependiendo su ubicación y no se ven tan limitados por las sombras en comparación a los sistemas programados por sensores LDR [1]. Actualmente el grupo de investigación DIGITI en la Facultad Tecnológica de la Universidad Francisco José de Caldas ha propuesto un Prototipo Generador de Agua Autosostenible, basado en 6 celdas de Peltier a partir de energía solar. Sin embargo, se observaron inconvenientes en el prototipo con respecto al sistema de alimentación basada en un panel solar de posición fija, ya que el consumo de las 6 celdas de Peltier era solo de 2 Horas, perjudicando la autonomía que se desea en el prototipo, es decir, limitantes en el prototipo principalmente al consumo y la necesidad de obtener suficiente energía para que el sistema sea lo más autónomo posible [2]. Teniendo en cuenta lo anterior, el propósito de este proyecto es diseñar e implementar un sistema capaz de orientar un panel solar, con el fin de obtener una mayor eficiencia en el panel solar y así generar más energía, con el fin de contribuir y dar una solución factible a la problemática expuesta e implementarse posteriormente en pruebas futuras para encender el sistema de generación de agua durante un periodo de tiempo más largo, especialmente cuando este prototipo este implementado en ubicaciones remotas, dando una mayor eficiencia energética y autonomía al prototipo..

(11) 2. Objetivos 2.1.. General. Diseñar e implementar un sistema capaz de orientar un panel solar para alimentar energéticamente el prototipo generador de agua autosostenible. 2.2. . Específicos.. Definir las condiciones ambientales para el almacenamiento de energía, que permita una mayor eficiencia en el prototipo generador de agua autosostenible.. . Diseñar un sistema mecánico activado mediante un actuador, que permita orientar el movimiento del panel solar.. . Implementar un sistema autónomo que haga seguimiento angular de la posición del sol..

(12) 3. Marco Conceptual Partiendo de la información brindada por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales) e información complementaria, y teniendo en cuenta la revisión previa de este trabajo se decide definir la base de este seguidor solar por medio de las siguientes consideraciones. 3.1.. Relaciones Astronómicas Sol – Tierra. La generación de energía solar depende de las variaciones en la distancia Tierra-Sol en el transcurso del año como consecuencia de la órbita elíptica terrestre. A continuación se mencionan de manera progresiva los parámetros que se tienen en cuenta para la predicción o determinar la posición del sol con respecto a algún punto de la tierra. 3.1.1.. Año Tropical. Se refiere al tiempo preciso para aumentar la longitud media del Sol en 360 grados sobre la eclíptica; es decir, en completar una vuelta. Su duración es de 365,242189 días de tiempo solar medio (365 días 5 h 48 m 45,10 s). 3.1.2.. Días del Año. Como su nombre lo indica, es el número de días que han transcurrido en el año. Esta expresada mediante la ecuación 𝐷𝑡𝑎 = (𝐴𝑎 − 𝐴𝑖) (𝐴𝑡) + (𝐷𝑎 − 𝐷𝑖) + ((𝑀𝑎 − 𝑀𝑖) (𝐴𝑡 / 12.0)) (1) 3.1.3.. Posición angular de la Tierra en la órbita. Es el ángulo de desviación diaria de la tierra con respecto al número de días que han transcurrido en el año. Esta expresada por la ecuación 𝐴𝑑𝑑 =. 2𝜋 (𝐷𝑡𝑎 − 1.0) 365. (2).

(13) 3.1.4.. Meridiano. Son las semicircunferencias máximas imaginarias del globo terrestre que pasan por los Polos Norte y Sur. Por extensión, son también las semicircunferencias máximas que pasan por los polos de cualquier esfera o esferoide, por lo general se toma como un punto de referencia. 3.1.5.. Longitud. Expresa la distancia angular entre un punto dado de la superficie terrestre y el meridiano que se toma como 0°. 3.1.6.. Latitud. Es la distancia angular entre la línea ecuatorial (el ecuador), y un punto determinado de la Tierra, medida a lo largo del meridiano en el que se encuentra dicho punto. 3.1.7.. Zona Horaria. Está basada en la diferencia entre longitud y el horario UTC (Coordinated Universal Time), con incrementos de 15 grados por hora [3]. Está basada en la siguiente ecuación 𝑻𝒛 = 3.1.8.. 𝒍𝒐𝒏−𝑼𝑻𝑪 𝟏𝟓. (3). Desplazamiento de tiempo. Esta expresado en minutos y determina un tiempo de desfase. Esta expresado por la ecuación 𝑇𝑜 = 𝐸𝑇 − 4𝑙𝑜𝑛 + 60𝑇𝑧 (4) Donde ET es la ecuación del tiempo.

(14) 3.1.9.. Tiempo Solar Verdadero. Es el tiempo real que determina el Sol a su paso sobre un meridiano. Esta dada por la ecuación 𝑇𝑠𝑡 = 𝐻𝑜𝑟𝑎 ∗ 60 + 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 + 3.1.10.. 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 60. + 𝑇𝑜 (5). Tiempo Solar Medio. Para eliminar las desigualdades del tiempo transcurrido entre los dos pasos sucesivos del Sol por un mismo meridiano, se definió el tiempo solar medio, imaginando un sol ficticio que gire a velocidad constante y en forma circular alrededor de la tierra, de modo que la duración de los días permanezca constante durante todo el año. 3.1.11.. Ecuación del Tiempo. Es la diferencia de tiempo entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio, el cual varía diariamente en un intervalo pequeño entre -14 y 16 minutos.. Figura 1. Variación de la Ecuación de Tiempo en el año [4].

(15) Está determinada por la siguiente ecuación 𝐸𝑇 = (0.000075 + 0.001868𝑐𝑜𝑠(𝐴𝑑𝑑) − 0.032077𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑑𝑑) − 0.014615𝑐𝑜𝑠(𝐴𝑑𝑑) − 0.040089𝑠𝑖𝑛(2𝐴𝑑𝑑))(229.18) (6) 3.1.12.. Declinación Solar. Es el ángulo formado entre el plano ecuatorial de la tierra y la línea tierra-sol, el cual varía debido al movimiento de la tierra alrededor del sol durante el año.. Figura 2. Angulo Declinación Solar. El ángulo de declinación está determinado por la siguiente ecuación: d = 0.006918 - 0.399912cos(Add) + 0.070257sin(Add) - 0.006758cos(2Add) + 0.000907sin(2Add) - 0.002697cos(3 Add)+ 0.00148sin(3Add) * (180.0 / π) (7). Figura 3. Variación de la declinación en el año [4].

(16) 3.1.13.. Hora angular. Indica el desplazamiento angular del Sol sobre el plano de la trayectoria solar. Esta expresada por la ecuación 𝐻𝑎 = 3.1.14.. 𝑇𝑠𝑡 4. − 180 (8). Movimiento diurno. Es el movimiento que realiza el sol observado en el transcurso de un día. Este movimiento aparente del sol, sale por el este al amanecer, hasta alcanzar una altura máxima (cenit) y ocultarse por un lugar del oeste al atardecer. Este movimiento cíclico del Sol, definió el día como el intervalo del tiempo entre dos posiciones del sol por la misma posición aparente en el cielo.. Figura 4. Movimiento aparente del sol en el transcurso del día. 3.1.15.. Angulo Cenital. El ángulo del cenit solar es el ángulo entre el cenit y el centro del disco del sol. El ángulo de elevación solar es la altitud del sol, el ángulo entre el horizonte y el centro del disco del.

(17) sol. Dado que estos dos ángulos son complementarios, el coseno de cualquiera de ellos es igual al seno del otro, como está dado en la ecuación 𝐶𝑜𝑠(𝐴𝑐) = 𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑒) = 𝑠𝑖𝑛 (𝑙𝑎𝑡) 𝑠𝑖𝑛(𝑑) + 𝑐𝑜𝑠(𝑙𝑎𝑡) 𝑐𝑜𝑠(𝑑) 𝑐𝑜𝑠(𝐻𝑎) (9) Donde 𝐴𝑐 es el ángulo cenital, 𝐴𝑒 es el ángulo de elevación, 𝑙𝑎𝑡 es la latitud, 𝑑 es el ángulo de desviación y 𝐻𝑎 es la hora angular. 3.1.16.. Angulo Azimut. Se define como el ángulo entre una línea hacia el sur y la sombra proyectada por una barra vertical en la tierra. Esta convención establece que el ángulo es positivo si la línea está al este del sur y negativa si está al oeste del sur. Esta dada por la ecuación cos(𝐴𝑧) =. −𝑠𝑖𝑛(𝑙𝑎𝑡)cos( 𝐴𝑐) − 𝑠𝑖𝑛(𝑑) cos(𝑙𝑎𝑡)𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑐). (10). Donde 𝐴𝑧 es el ángulo azimut. Figura 5. Angulo de elevación y azimut [5].

(18) 4. Elementos Básicos de la Energía Solar El término energía solar se refiere al aprovechamiento de la energía contenida en la radiación proveniente del sol. Existen diferentes métodos de obtención de energía solar ya sea pasiva, térmica y el método fotovoltaico implementado en este proyecto. La energía solar fotovoltaica consiste en la obtención de electricidad mediante un dispositivo semiconductor de silicio denominado celda fotovoltaica, generando una corriente eléctrica y posteriormente ser depositamos en los contactos de metal de las superficies frontal y posterior de la célula, lo que nos permite recoger los electrones generados en el silicio.. Figura 6. Comportamiento celda fotovoltaica. Como se puede observar en la figura anterior, el comportamiento de estas celdas es similar a las de un diodo, cuyos canales N-P son expuestos a la luz. Sin embargo, estas celdas se conforman de otros elementos complementarios que se representan mediante un circuito equivalente, obteniendo un modelo dinámico para estudios más detallados del comportamiento de la celda como se observa en la siguiente figura.. Figura 7. Modelo Circuital celda fotovoltaica.

(19) Como se observa en la figura anterior, IL es una fuente de corriente que representa la energía recolectada por la celda, Rs es la resistencia serie debida a la resistividad no nula del material semiconductor y la principal fuente de pérdidas en la celda, El diodo representa el semiconductor de la celda y Rsh representa la condición no ideal del diodo e impurezas del semiconductor de la unión P-N [6]. Para la instalación de energía solar fotovoltaica se requieren unos elementos necesarios para garantizar la funcionalidad el control y la durabilidad de la instalación solar. 4.1.. Panel Solar. El panel solar fotoeléctrico es un conjunto de celdas solares, encargadas de captar la radiación solar para convertirla en energía. Este tipo de paneles los podemos clasificar en los paneles de capa fina que son elaborados mediante una capa fina de silicio de amorfo caracterizados por tener un color uniforme oscuro y fácil fabricación; los paneles monocristalinos de color azul oscuro que son elaborados mediante silicio puro y fundido en varias fases de cristalización para formar el monocristal y por tanto es más complicado de fabricar; y los paneles policristalinos de azul cobalto que son elaborados de igual manera que los monocristalinos pero con menos fases de cristalización, lo que los hace más fáciles y económicos de fabricar a diferencia de los monocristalinos.. Figura 8. Tipos de panel solar fotovoltaico.

(20) Figura 9. Hoja Característica Panel Solar. Para este proyecto, el panel implementado es un panel solar policristalino por su bajo costo, sin embargo, su eficiencia de 13% a 16% suele ser menor a comparación de la eficiencia de 15% a 20% del panel monocristalino. La referencia de nuestro panel es YL295P-29b de la empresa YingliSolar, tiene una potencia máxima de 260W, como se observa en la anterior figura. Cabe resaltar que la temperatura de operación nominal de este panel es de 46ºC [7]. 4.2.. Batería. La batería es un elemento que nos permite almacenar la energía eléctrica obtenida por el panel solar fotovoltaico, conformada por una o más celdas que constan de electrodos positivos, electrodos negativos y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la batería de forma que podamos posteriormente disponer de esta energía para su consumo. La referencia de esta batería es.

(21) MS12V100C de la marca MOTOMA, caracterizada por ser de plomo acido que son muy comunes en el mercado y que se conforman internamente por varias placas de plomo, que dependiendo del número de placas, la corriente suministrada será mayor o menor. Sin embargo, se debe asegurar que este tipo de baterías se encuentren en buen estado, ya que en ciertas ocasiones podrían resultar perjudiciales para la salud debido al plomo y a los gases que pueden producirse en ciertas condiciones, y por tanto se deben tener en lugares ventilados y asegurados para evitar accidentes. Se caracteriza por ser una batería seca SLA, es decir, son baterías que no necesitan de mantenimiento pero su tiempo de vida útil es más corto a comparación de otros tipos de batería que requieren de mantenimiento. Cabe resaltar que la batería implementada es diferente a los otros tipos de batería convencional, ya que en aplicaciones de energía solar las baterías tienen que suministrar energía sobre un tiempo relativamente largo a diferencia de las otras baterías que suministran energía en un tiempo corto, es decir, que la batería implementada es una batería de descarga profunda, caracterizadas por soportar una descarga del 80% de su energía almacenada, por su gran tamaño y peso debido al plomo. Tiene un voltaje de 12V y una capacidad de 65Ah, es decir, que puede suministrar 65 amperios en una hora o 0.65 amperios en 100 horas. Esta relación de tiempo y corriente básicamente depende del consumo al que se somete la batería, como esta expresado en la siguiente ecuación:. 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(ℎ) =. 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝐴ℎ) 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 (𝐴). (11). Mientras que el tiempo de carga de la batería depende de la corriente generada por el panel solar, expresado mediante la siguiente ecuación:. 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(ℎ) =. 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝐴ℎ) 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝐴). (12).

(22) Sin embargo, el tiempo de carga de la batería con el panel solar puede durar días debido a que la corriente generada por un panel suele ser pequeña. También se puede estimar la potencia en horas que nos brinda la batería a partir del producto del voltaje y capacidad de la batería, es decir, que la batería nos brinda 780Wh, siendo de gran importancia ya que podemos estimar un tiempo de consumo a partir de la potencia que nos brinda la batería con respecto a la potencia que deseamos consumir como se observa en la siguiente ecuación:. 𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜(ℎ) =. 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝑊ℎ) 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 (𝑊). (13). Esta batería tiene una vida útil de 5 años máximo, sin embargo, la vida útil de la batería depende de mantener cargada la batería, es decir, no permitir que el nivel de descarga de la batería sobrepase el 80%. También depende de la temperatura, ya que si no se mantiene a su temperatura idónea de 25 ºC la vida útil de la batería se puede reducir a 2 años.. Figura 10. Batería Panel Solar MS12V100C.

(23) 4.3.. Regulador de Carga. Es un dispositivo encargado de controlar constantemente el estado de carga de las baterías así como de regular la intensidad de carga con el fin de alargar la vida útil de las baterías. Controla la entrada de corriente proveniente del panel solar y evita que se produzcan sobrecargas y sobre descargas profundas en la batería. Estos reguladores se pueden clasificar en reguladores de modulación de ancho por pulsos PWM (Pulse Width Modulación) y en reguladores seguidores de punto máximo de potencia MMQT (Máximum Power Point Tracking), sin embargo, el regulador que se implemento fue un regulador de carga PWM debido a su bajo costo, como se observa en la siguiente figura.. Figura 11. Controlador de carga Panel Solar.

(24) Los reguladores PWM se encargan de cargar la batería mediante un algoritmo programado internamente. Básicamente limitan la corriente de entrada a la batería dependiendo de los estados de carga de la misma. Cuando el voltaje de la batería alcanza el punto establecido de regulación, el algoritmo PWM reduce lentamente la corriente de carga para evitar el calentamiento y el gaseado de la batería, pero la carga continúa devolviendo la máxima cantidad de energía a la batería en el menor tiempo posible, como se observa en la figura.. Figura 12. Representación circuital de un regulador de carga PWM [8]. Sin embargo, estos reguladores fuerzan a los módulos fotovoltaicos a trabajar a la tensión de la batería, sin ningún tipo de instalación extra. Por ejemplo, si la batería es de 12V, los paneles cargaran la batería con una tensión de 12V. Su principal ventaja es que son económicos, sin embargo, estos controladores tienen una capacidad limitada y no garantizan la vida útil del panel y de la batería, es por esta razón que se suelen recomendar los reguladores MPPT, ya que estos nos permiten utilizar el 100% de la energía que pueden suministrar los paneles de tal forma que éste regulador funciona siempre en el punto de máxima potencia, proporcionando la intensidad de corriente máxima que el panel está dispuesto a suministrar. Son más confiables en términos de duración y aplicación..

(25) 5. Definición de las Condiciones Ambientales Para el diseño e implementación de un seguidor solar es necesario definir las condiciones ambientales de almacenamiento de energía en un lugar determinado, que permita una mayor eficiencia en el panel solar y en el prototipo. 5.1.. Consideraciones ambientales para el panel solar. En el caso de Colombia se tiene en cuenta la información de energía solar que nos proporciona principalmente el IDEAM, entre otras instituciones. Este factor es de gran importancia, ya que la potencia máxima del panel depende de las variaciones climáticas debido a la relación que existe entre la radiación solar, la temperatura y la resistencia del panel solar [9]. 5.1.1.. Temperatura Ambiente. En términos generales, las células de silicio del panel solar entregan su mayor voltaje a 25ºC, a más temperatura el voltaje disminuye, y aumenta la intensidad de corriente. La temperatura de operación del panel afecta notablemente la tensión de salida de las placas solares ya que a mayor temperatura hay menor voltaje de salida y aumenta la intensidad de corriente, y a menor temperatura mayor será el voltaje de salida y disminuye la intensidad de corriente como se observa en la siguiente figura.. Figura 13. Curva I vs V [10].

(26) La temperatura de trabajo de la célula del panel está relacionada con la temperatura ambiente y la irradiación, que se expresa mediante la ecuación 𝑇𝑐𝑐 = 𝑇𝑎𝑎 + 𝐺 ∗. 𝑇𝑂𝑁𝐶−20 800. (14). Donde 𝑇𝑐𝑐 es la temperatura de trabajo de la célula (ºC), 𝑇𝑎𝑎 es la temperatura ambiente (ºC), 𝑇𝑂𝑁𝐶 es la temperatura de operación nominal de la célula del panel (ºC) y 𝐺 es la irradiancia (W/m2).. Figura 14. Distribución de Temperatura en Colombia [11].

(27) Como se observa en la anterior figura, Colombia se caracteriza por tener temperaturas correspondientes a climas tropicales debido a su cercanía a la línea ecuatorial, sin embargo, las pruebas se realizaron en la ciudad de Bogotá D.C. Debido a la posición altitudinal de Bogotá, determinan un régimen de temperatura isotérmico, con una temperatura media de 12 a 16 ºC.. Figura 15. Temperatura de Bogotá D.C [11]. Hay que tener en cuenta que existen dos fenómenos asociados a los cambios de temperatura en esta parte del mundo: una fase cálida donde los vientos alisios disminuyen, y las temperaturas del mar aumentan se conoce como el Niño y una fase fría donde los vientos alisios aumentan y las temperaturas ecuatoriales disminuyen, se le conoce como la Niña. 5.1.2.. Sombra Orográfica. Es un fenómeno meteorológico asociado a las sombras que obstaculizan la luz que impacta sobre la superficie del panel mediante precipitaciones o días parcialmente nublados. Este efecto de provoca desajustes de voltaje y corriente en el sistema, provocando pérdidas en la recolección de energía y así se reduce la potencia de salida y la eficiencia en la conversión de energía en el panel solar..

(28) Figura 16. Distribución de Precipitaciones en Colombia [11]. Como se observa en la anterior figura, en Bogotá el nivel de precipitación es de 1000 a 1500 milímetros de agua, también se caracteriza por tener varios periodos de precipitaciones al año.. Figura 17. Registro Histórico Precipitaciones Bogotá 1972-2016 [12].

(29) Figura 18. Precipitaciones en Bogotá D.C [11]. 5.1.3.. Brillo e Irradiación Solar. El brillo solar es la duración media de brillo solar u horas de sol. La duración del brillo solar o heliofanía (cantidad del brillo del sol) en horas, representa el tiempo total durante el cual incide luz solar directa sobre la superficie del panel, entre el amanecer y el atardecer; mientras que la irradiancia o Irradiación Solar es la potencia incidente por unidad de área (W/𝑚2 ) de la radiación proveniente del sol. Ambos factores son de gran importancia ya que dependiendo de la cantidad de luz aumenta o disminuye la corriente generada por el panel, mientras que la irradiación está asociada a la potencia generada por el panel solar [11]. En Bogotá, el brillo solar es de 3 a 4 horas en donde el panel puede aprovechar al máximo la intensidad de luz del sol, como se observa en la siguiente figura..

(30) Figura 19. Brillo Solar en Colombia [11]. Como se observa en la anterior figura, en Bogotá, el brillo solar es de 3 a 4 horas en donde el panel debe aprovechar al máximo la intensidad de luz del sol. Cabe resaltar que la irradiancia puede estar integrada durante un lapso de tiempo que normalmente es un día (kWh/𝑚2 ).. Figura 20. Registro Histórico Brillo Solar Bogotá 1972-2016.

(31) Figura 21. Irradiación solar en Colombia [4]. Como se observa en la anterior figura, en Bogotá, la irradiancia es de 3,5 a 4,5KWh/𝑚2 en donde el panel debe aprovechar al máximo la intensidad de luz del sol.. Figura 22. Irradiación solar promedio en Bogotá 2017.

(32) 5.2.. Consideraciones ambientales para el prototipo. Para obtener un rendimiento óptimo del seguidor, también es necesario definir condiciones ambientales externas del panel que perjudiquen indirecta o directamente sobre el desempeño energético del seguidor, con el fin de establecer unos parámetros básicos a tener en cuenta para obtener el diseño mecánico y a su vez garantizar que el consumo de potencia del prototipo sea bajo. 5.2.1. 5.2.1.1.. Consideraciones Indirectas o con poca probabilidad Lluvias Torrenciales y Tormentas Eléctricas. Estos fenómenos se presentan habitualmente en épocas de invierno húmedo en Bogotá, que pueden durar de 1 a 3 meses al año, dependiendo también si se presenta el fenómeno de la niña. En Bogotá la lluvia torrencial suele ser frecuente, sin embargo, no tiene ningún efecto negativo en los sistemas de energía solar fotovoltaica y resulta beneficiosa ya que ayuda a limpiar el polvo y las impurezas acumuladas en la superficie del panel. Sin embargo, el agua puede provocar corrosiones sobre la estructura la cual está sujeta al panel y en el caso de un seguidor solar también podría perjudicar al circuito que controla la orientación. Aunque las estructuras sujetas a los paneles solares son en su mayoría metálicas. En el caso de las tormentas eléctricas, los rayos portan inmensas cantidades de energía con lo que pueden causar graves daños sobre los objetos en los que caigan. Generalmente, los sistemas de energía solar están ubicados sobre los tejados y por eso tienen posibilidades de recibir la caída de rayos debido a que el rayo siempre busca el camino más corto hasta la tierra que en este caso son los objetos altos y metálicos [13]. Aunque es muy escasa la probabilidad de que caiga un rayo en una instalación solar..

(33) Vientos Fuertes El viento es el movimiento del aire que se produce entre dos áreas de la tierra con distintas presiones atmosféricas para compensar el desequilibrio, dirigiéndose desde áreas de altas presiones hacia las áreas de bajas presiones. En el caso de una instalación solar, las estructuras suelen ser sensibles a la acción del viento debido a su estructura, ya que pueden llegar a hacer volar el panel o tumbar la estructura, causando daños en el panel solar o en una persona. En la siguiente figura se observa el comportamiento de los vientos en la ciudad de Bogotá. Aunque en la ciudad de Bogotá los vientos no son lo suficientemente fuertes. 5.2.1.2.. Polvo y Suciedad. El polvo es causado por partículas que viajan en el aire y se acumulan que pueden afectar sobre el desempeño del panel, sin embargo, también pueden causar daños en el prototipo a largo plazo, ya que si se llegara acumular de polvo y suciedad en los componentes electrónicos que controlan la orientación del panel solar, puede llegar a sobrecalentar el circuito llegando a dañarlo. También puede llegar a pasarle a la estructura con acumulación de residuos no deseados que pueden interferir o perjudicar el movimiento de orientación del panel. 5.2.2. 5.2.2.1.. Consideraciones Directas o que inciden sobre la potencia La Noche. La noche es un factor de gran importancia en una instalación solar ya que en este periodo de tiempo la energía generada por el panel es mínima debido a la baja irradiación solar. También se debe tener en cuenta que para la implementación de un seguidor solar el prototipo debe trabajar a un consumo potencia bajo para obtener la mayor cantidad de energía posible aprovechando el movimiento perpendicular..

(34) 5.2.2.2.. La Fricción. La fricción en el mecanismo de seguimiento solar puede resultar un problema para el consumo de potencia del prototipo debido a que la fricción es una oposición de movimiento que debe suplirse en potencia adicional para orientar el panel, sin mencionar que puede ocasionar daños y desgaste en el mecanismo. 5.2.2.3.. El Peso. Cabe resaltar que el peso del panel es el principal factor que influye sobre el consumo del seguidor solar, ya que la potencia es un trabajo y el trabajo es directamente proporcional a la fuerza. Se debe tener en cuenta que dentro de estos parámetros se encuentra el peso del panel, el peso del soporte del panel y un peso adicional por ejemplo si se llegaran a parar aves sobre el panel solar. 5.2.2.4.. La Inercia. Por lo general en los seguidores solares el movimiento que orienta el panel hacia el sol está dado por un motor eléctrico. Al momento de hacer un control de posición con estos dispositivos siempre va ver un error asociado a la inercia y que depende de las características internas del mismo.. Agradecimientos Agradezco al docente tutor y director del proyecto de investigación ‘Prototipo Generador de Agua Autosostenible’ Enrique Yamid Garzon y al grupo de investigación DIGITI por brindarme la oportunidad y el apoyo para llevar a cabo este proyecto..

(35) Referencias [1]. “Ventajas y desventajas de un seguidor solar.” [Online]. Available: http://solarflexrack.com/advantages-and-disadvantages-of-a-solar-tracker-system/. [Accessed: 10-Apr-2018].. [2]. D. Moreno and M. Ortiz, “Prototipo Generador de Agua con Celdas de Peltier,” p. 103, 2017.. [3]. T. H. Karakoc, M. B. Ozerdem, M. Z. Sogut, C. O. Colpan, O. Altuntas, and E. Açıkkalp, Sustainable aviation : energy and environmental issues. .. [4]. C. Sánchez, F. Rodriguez, E. Collante, and O. Simbaqueva, “Atlas de radiación solar de Colombia,” … , HIMAT, Bogotá, Colomb., pp. 13–22, 2005.. [5]. “Cálculo de la posición del sol en el cielo para cada lugar en cualquier momento.” [Online]. Available: https://www.sunearthtools.com/dp/tools/pos_sun.php?lang=es. [Accessed: 10-Apr-2018].. [6]. G. Alberto and O. Henao, “SISTEMA ADAPTATIVO PARA RECOLECCIÓN DE ENERGÍA SOLAR,” 2013.. [7]. E. N. Una, N. Dimensión, and R. Pid, “Calidad probada.”. [8]. “CONTROLADOR DE CARGA SOLAR ARDUINO (Versión-1).” [Online]. Available: http://www.instructables.com/id/ARDUINO-SOLAR-CHARGECONTROLLER-PWM/. [Accessed: 07-May-2018].. [9]. J. Sierra, “Aspectos que afectan la eficiencia en los paneles.”. [10] “Como afecta la temperatura a una placa solar.” [Online]. Available: https://www.monsolar.com/blog/como-afecta-la-temperatura-a-una-placa-solar-2/. [Accessed: 12-Apr-2018]. [11] “Brillo Solar - Hidrometeorología de ETESA.” [Online]. Available: http://www.hidromet.com.pa/brillo_solar.php. [Accessed: 12-Apr-2018]. [12] “AIRE Y CLIMA - IDEAM.” [Online]. Available: http://www.ideam.gov.co/web/ecosistemas/aire-y-clima. [Accessed: 12-Apr-2018]. [13] “La meteorologia extrema en las instalaciones solares | sitiosolar.” [Online]. Available: http://www.sitiosolar.com/el-impacto-de-los-fenomenos-meteorologicosextremos-en-las-instalaciones-de-energia-solar-termica-y-fotovoltaica/. [Accessed: 08-May-2018]. [14] “Seguidor Solar | Energía Solar | Energías Renovables | Fundación Energizar.” [Online]. Available: http://www.energizar.org.ar/energizar_desarrollo_tecnologico_seguidor_solar_que_e s.html. [Accessed: 10-Apr-2018]..

(36) [15] “TinyGPS++ | Arduiniana.” [Online]. Available: http://arduiniana.org/libraries/tinygpsplus/. [Accessed: 12-Apr-2018]. [16] “A $108,18 QUEDÓ EL KILOVATIO DE ENERGÍA - Archivo Digital de Noticias de Colombia y el Mundo desde 1.990 - eltiempo.com.” [Online]. Available: http://www.eltiempo.com/archivo/documento/MAM-803357. [Accessed: 09-May2018]..

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