UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA
AUTOMATIZADO DE SEGUIMIENTO DEL SOL PARA EL
CONCENTRADOR SOLAR DE LA UTE.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECATRÓNICO
LUIS RENATO MIRANDA ARMAS
DIRECTOR: FAUSTO FREIRE PhD.
DECLARACIÓN
Yo LUIS RENATO MIRANDA ARMAS, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ LUIS RENATO MIRANDA ARMAS
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Diseño e implementación de un sistema automatizado de seguimiento del sol para el concentrador solar de la UTE”, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue desarrollado por Renato Miranda, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
___________________
Fausto Freire PhD. DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Este trabajo está dedicado a mis familiares. Les dedico toda mi carrera universitaria y este trabajo, que tanto esfuerzo me han costado.
Principalmente a mis padres César y Triana, que me apoyaron durante toda mi vida, y siempre han querido lo mejor para mí y para mi hermano. Gracias a ellos he conseguido este logro.
A mi hermano Juan José, por ser mi mejor amigo de toda la vida, le deseo muchos éxitos en su logro como médico muy pronto, y le deseo lo mejor del mundo.
A mis abuelitos, que van a poderme ver graduado.
A mis queridos primos Joaquín y Sebastián, a mi tío Santiago por querer ayudarme para superarme.
Me siento orgulloso de todos ustedes, espero que sientan lo mismo.
AGRADECIMIENTO
Agradezco a mi familia por su constante apoyo, cariño y buenos deseos.
Agradezco profundamente al Dr. Fausto Freire por haberme tomado en cuenta para aportar en el desarrollo de este proyecto del centro de investigación de mecatrónica de la UTE, y por su constante guía. De igual manera expreso mis agradecimientos al Ing. Luis Hidalgo y al Ing. Armando Méndez por sus permanentes observaciones y disposición en el desarrollo de la metodología del trabajo.
Igualmente quiero agradecer a todos los docentes que han dejado huella en mi formación profesional y personal: al Dr. Daniel Mideros, al Ing. Aníbal Mantilla, al Ing. Raúl Loor, al Ing. Alexy Vinueza, a la Ing. Marcela Parra, al Ing. Gonzalo Guerrón, al Ing. Vladimir Bonilla, al Ing. Roger Peñaherrera, a la Ing. Tatiana Quintana, al Ing. Gabriel Pazmiño, al Ing. Juan Rivera, a la Ing. Luz Tobar, al profesor Jaime Mora; quiero decirles que me llevo gratos recuerdos y enseñanzas de todos y cada uno de ustedes.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN ... xii
ABSTRACT ... xiii
1. INTRODUCCIÓN ... 1
OBJETIVOS ... 2
Objetivo General ... 2
Objetivos Específicos ... 2
2. MARCO TEÓRICO ... 4
2.1. ENERGÍAS RENOVABLES ... 4
2.1.1. ENERGÍA SOLAR ... 5
2.1.1.1. Radiación solar ... 7
2.2. TECNOLOGÍAS DE LA ENERGÍA SOLAR ... 8
2.2.1. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA ... 8
2.2.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA ... 9
2.2.3. ENERGÍA TERMOELÉCTRICA ... 10
2.3. CONCENTRADORES SOLARES ... 12
2.3.1. CONCENTRADOR FRESNEL ... 13
2.3.2. CANAL O CILINDRO PARABÓLICO ... 15
2.3.3. PLATO PARABÓLICO TIPO STIRLING ... 16
2.3.4. TORRE SOLAR ... 17
2.4. MOVIMIENTO DE LA TIERRA RESPECTO DEL SOL ... 19
2.4.1. TRAYECTORIA APARENTE DEL SOL ... 21
2.5. SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR ... 24
ii 2.5.3. SISTEMAS DE CONTROL Y MONITOREO DE SEGUIDORES
SOLARES ... 31
2.5.3.1. Control en lazo abierto ... 31
2.5.3.2. Control en lazo cerrado ... 32
3. METODOLOGÍA ... 35
3.1. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO ... 37
3.2. ENFOQUE DE DISEÑO CON INGENIERÍA CONCURRENTE ... 38
3.3. INGENIERÍA DE CRITERIOS PONDERADOS ... 40
3.4. SISTEMA MECÁNICO ... 45
3.5. SISTEMA ELECTRÓNICO ... 48
3.6. SISTEMA DE CONTROL... 50
4. DISEÑO ... 53
4.1. DISEÑO MECÁNICO ... 53
4.1.1. ANÁLISIS CINEMÁTICO DEL CONCENTRADOR SOLAR ... 54
4.1.1.1. Transmisión de potencia y diseño del piñón ... 62
4.1.1.2. Selección del actuador eléctrico ... 70
4.1.2. DISEÑO DE LA BASE... 74
4.1.2.1. Cálculos de sección de la viga ... 78
4.1.2.2. Simulación por elementos finitos ... 80
4.2. DISEÑO ELECTRÓNICO ... 83
4.2.1. CONTROLADOR PRINCIPAL ... 84
4.2.1.1. Arduino Mega 2560 ... 85
4.2.2. CIRCUITO DE ADQUISICIÓN DE DATOS ... 87
4.2.2.1. Unidad de procesamiento de movimiento MPU 6050 ... 89
iii 4.2.2.3. Simulación del circuito de adquisición de datos por medio de
I2C 95
4.2.3. CIRCUITO DE POTENCIA ... 100
4.2.4. CIRCUITO DE COMUNICACIÓN ETHERNET ... 102
4.2.4.1. Arduino Ethernet shield ... 103
4.2.4.2. Comunicación SPI ... 105
4.2.4.3. Simulación del circuito de comunicación con el módulo de Ethernet por medio de SPI ... 108
4.2.5. INTEGRACIÓN DE LAS ETAPAS ... 112
4.3. DISEÑO DE CONTROL ... 116
4.3.1. DISEÑO DE LA APLICACIÓN WEB... 116
4.3.1.1. HTML ... 118
4.3.1.2. CSS ... 120
4.3.1.3. JAVASCRIPT ... 123
4.3.2. DISEÑO DEL ALGORITMO Y MODOS DE CONTROL DEL CONCENTRADOR SOLAR. ... 124
4.3.2.1. Diseño del algoritmo automático de posicionamiento del plato parabólico ... 125
4.3.3. DISEÑO DEL MODELO VIRTUAL ONLINE ... 133
4.3.4. DESARROLLO DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN EN TIEMPO REAL ENTRE ARDUINO Y EL CLIENTE DE INTERNET ... 136
4.3.5. DISEÑO DEL SISTEMA DE RETROALIMENTACIÓN ... 138
4.3.6. DISEÑO DEL SISTEMA EMBEBIDO ... 140
4.3.6.1. Código I2C... 141
4.3.6.2. Código de interfaz con el módulo de Ethernet ... 144
4.3.6.3. Código para el control del motor eléctrico ... 145
iv
5.1. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA MECÁNICO ... 147
5.2. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA ELECTRÓNICO ... 153
5.3. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA DE CONTROL ... 154
5.4. PRUEBAS AL SISTEMA MECATRÓNICO ... 156
5.5. ANÁLISIS DE RESULTADOS ... 165
6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 168
CONCLUSIONES ... 168
RECOMENDACIONES ... 170
BIBLIOGRAFÍA... 172
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Comparación entre tecnologías de concentradores solares ... 19
Tabla 2.2. Pérdidas por sistemas estáticos ... 25
Tabla 3.1. Requerimientos de diseño del proyecto ... 38
Tabla 3.2. Propuesta de alternativas de diseño ... 39
Tabla 3.3. Valoración de las alternativas del proyecto ... 41
Tabla 3.4. Criterios ponderados del proyecto con requerimientos de ingeniería. 43 Tabla 3.5. Cálculo de alternativas en función de criterios ponderados... 44
Tabla 4.1. Elementos mecánicos del proyecto ... 53
Tabla 4.2. Propiedades de masa del concentrador solar ... 56
Tabla 4.3. Parámetros cinemáticos del proyecto ... 57
Tabla 4.4. Dientes de los piñones del reductor ... 64
Tabla 4.5. Especificaciones cadena 520 ... 65
Tabla 4.6. Estudio de factibilidad de propuestas para la selección final del actuador eléctrico ... 72
Tabla 4.7. Comparación de sensores ... 88
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Radiación solar en la tierra por año ... 6
Figura 2.2. Componentes de la radiación solar ... 7
Figura 2.3. Energía solar fotovoltaica. ... 9
Figura 2.4. Captadores solares para la energía térmica. ... 10
Figura 2.5. Torre solar térmica. ... 11
Figura 2.6. Concentradores solares ... 13
Figura 2.7. Concentradores solar tipo fresnel ... 14
Figura 2.8. Central solar termo eléctrica con concentradores fresnel... 15
Figura 2.9. Concentradores de canal parabólico ... 16
Figura 2.10. Concentrador solar tipo plato parabólico con motor Stirling. .... 17
Figura 2.11. Torre de poder solar. ... 18
Figura 2.12. Relación geométrica entre el sol y la tierra. ... 20
Figura 2.13. Órbita de la tierra. ... 20
Figura 2.14. Ángulos solares. ... 22
Figura 2.15. Ángulo de latitud en la tierra. ... 22
Figura 2.16. Gráfico de trayectoria solar en latitud de 450. ... 24
Figura 2.16. Seguidor solar de eje horizontal. ... 26
Figura 2.17. Seguidor solar de un eje polar. ... 27
Figura 2.18. Seguidor solar de un eje vertical. ... 27
Figura 2.19. Seguidor solar de dos ejes azimutal-elevación. ... 29
Figura 2.20. Seguidor solar de dos ejes tip-tilt. ... 29
Figura 2.21. Sensores LDR para seguimiento solar. ... 33
vii
Figura 3.2. Metodología mecatrónica. ... 36
Figura 3.3. Desarrollo del proyecto en paralelo ... 38
Figura 3.4. Proceso de diseño mecánico ... 47
Figura 3.5. Proceso de diseño electrónico ... 49
Figura 3.6. Proceso de diseño de control ... 52
Figura 4.1. Diseño del concentrador solar en 3D ... 55
Figura 4.2. Propiedades de masa del concentrador solar ... 56
Figura 4.3. Motion study del concentrador solar ... 58
Figura 4.4. Curva del torque del motor vs tiempo ... 60
Figura 4.5. Posición de la parabóla vs torque ... 61
Figura 4.6. Caja reductora del concentrador solar de la UTE ... 63
Figura 4.7. Arreglo de piñones del reductor ... 63
Figura 4.8. Especificaciones de cadenas de rodillos ... 64
Figura 4.9. Reducción piñón 3 y piñón 4 en solidworks ... 66
Figura 4.10. Reducción piñón 1 y piñón 2 en solidworks. ... 68
Figura 4.11. Ensamblaje conjunto reducción por cadena solidworks ... 69
Figura 4.12. Motor DC y sus características ... 73
Figura 4.13. Conjunto tornillo sinfín – motor ... 73
Figura 4.14. Ubicación del motor eléctrico ... 74
Figura 4.15. Soporte como viga en voladizo ... 75
Figura 4.16. Diagramas de cortante y momento flector... 77
Figura 4.17. Sección del perfil estructural en L ... 78
Figura 4.18. Propiedades de la sección del perfil L3x3x1/4 ... 80
Figura 4.19. Modelado del perfil en L ... 81
Figura 4.20. Mallado del modelo ... 81
viii
Figura 4.22. Resultados FEA de deformación total ... 82
Figura 4.23. Sistema mecánico completo ... 83
Figura 4.24. Estructura interna del microcontrolador ... 85
Figura 4.25. Arduino Mega 2560 ... 86
Figura 4.26. Señal electrónica de retroalimentación ... 88
Figura 4.27. Acelerómetro tipo MEMS ... 90
Figura 4.28. MPU-6050 GY-521 ... 91
Figura 4.29. Diagrama de bloques del sensor MPU-6050... 92
Figura 4.30. Conexión I2C ... 93
Figura 4.31. Señales I2C ... 94
Figura 4.32. Circuito esquemático arduino-MPU-6050... 97
Figura 4.33. Circuito de simulación I2C en proteus ... 98
Figura 4.34. Ejecución de simulación I2C en proteus ... 99
Figura 4.35. Simulación del circuito de potencia ... 101
Figura 4.36. Circuito esquemático motor-arduino ... 102
Figura 4.37. Ethernet shield arduino ... 104
Figura 4.38. Señales interfaz SPI ... 107
Figura 4.39. Circuito esquemático arduino mega 2560 y shield de Ethernet ... 108
Figura 4.40. MCU y W5100 ... 108
Figura 4.41. Formato de datos W5100 SPI ... 109
Figura 4.42. Estructura transmisión SPI a WIZnet 5100 ... 110
Figura 4.43. Simulación comunicación interfaz SPI ... 111
Figura 4.44. Esquema del circuito electrónico con las tres etapas ... 112
Figura 4.45. Simulación del circuito eléctrico total ... 114
ix
Figura 4.47. Arquitectura de la aplicación web ... 118
Figura 4.48. Parte superior de la aplicación web ... 119
Figura 4.49. Parte inferior de la aplicación web ... 120
Figura 4.50. Box model en CSS ... 121
Figura 4.51. Estilo de h1 y h2 en página web ... 123
Figura 4.52. Latitud y longitud del concentrador solar ... 125
Figura 4.53. Trayectoria solar en el Ecuador ... 126
Figura 4.54. Sistema del algoritmo de modo automático. ... 128
Figura 4.55. Control fuzzy equivalente a map(). ... 130
Figura 4.56. Funciones de entrada del control fuzzy. ... 130
Figura 4.57. Funciones de salida del control fuzzy. ... 130
Figura 4.58. Ejecución de reglas del control fuzzy. ... 131
Figura 4.59. Salida vs Entrada del control ... 131
Figura 4.60. Diagrama de flujo del algoritmo de posicionamiento automático ... 132
Figura 4.61. Modelo virtual online del concentrador solar ... 136
Figura 4.62. Diagrama de comunicación cliente-servidor ... 137
Figura 4.63. Sistema de control en lazo cerrado ... 140
Figura 4.64. Diagrama de flujo del sistema embebido ... 146
Figura 5.1. Concentrador solar de la UTE ... 147
Figura 5.2. Máquinas-Herramientas... 148
Figura 5.3. Perfil en L maquinado ... 148
Figura 5.4. Obtención de la cadena. ... 149
Figura 5.5. Piñón fabricado. ... 149
Figura 5.6. Acople cadena-piñón. ... 150
x
Figura 5.8. Posicionamiento para la instalación del soporte. ... 151
Figura 5.9. Soldadura del soporte ... 152
Figura 5.10. Colocación de los pernos en el soporte ... 152
Figura 5.11. Sistema mecánico instalado ... 153
Figura 5.12. Hardware del proyecto ... 154
Figura 5.13. Compilación del código embebido ... 154
Figura 5.14. Carga del código al hardware del proyecto. ... 155
Figura 5.15. Carga de los archivos a carpeta del servidor local ... 156
Figura 5.16. Conexión exitosa con arduino ... 157
Figura 5.17. Aplicación web desde navegador ... 158
Figura 5.18. Prueba del modo manual ... 159
Figura 5.19. Prueba del modo automático ... 159
Figura 5.20. Prueba del modo activar ... 160
Figura 5.21. Prueba del modo reiniciar ... 161
Figura 5.22. Prueba del modo paro de emergencia ... 161
Figura 5.23. Ángulos recibidos por arduino ... 162
Figura 5.24. Prueba de la retroalimentación con motor ... 162
Figura 5.25. Prueba de la retroalimentación del sensor en superficie horizontal 163 Figura 5.26. Prueba de la retroalimentación del sensor 90 grados ... 163
Figura 5.27. Batería para prueba del motor ... 164
Figura 5.28. Concentrador solar en movimiento. ... 165
xi
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1: Cotizaciones de actuadores eléctricos ... 178
Anexo 2: Recurso solar en Quito – Ecuador ... 179
Anexo 3: Propiedades de perfiles estructurales de acero ... 180
Anexo 4: Circuito esquemático arduino mega 2560 ... 181
Anexo 5: Circuito esquemático de GY-521 ... 183
Anexo 6: I2C en código C ... 184
Anexo 7: Pin mapping del ATMega2560 con arduino mega 2560 ... 187
Anexo 8: Circuito esquemático del shield de Ethernet de arduino ... 191
Anexo 9: Lista de elementos (etiquetas) de HTML5 ... 193
Anexo 10: Aplicación Web del proyecto. ... 199
Anexo 11: Código en processing de la simulación online y del control. ... 207
Anexo 12: Código embebido de arduino. ... 210
xii
RESUMEN
xiii
ABSTRACT
1 En la actualidad el sector de la energía renovable está cobrando mayor importancia debido a sus beneficios para la humanidad y el entorno. La principal preocupación del ser humano es el agotamiento de los recursos no renovables ya que son limitados y su nivel de abundancia en la tierra ha disminuido dramáticamente en las últimas décadas, trayendo consigo un prejuicio para el medioambiente como es el calentamiento global. Es por eso que surge la necesidad de producir energía eléctrica de una forma más limpia, eficiente y amigable con el ambiente.
Entre las energías renovables más prometedoras se encuentra la energía solar termo eléctrica, que aprovecha la radiación solar directa para concentrarla en un área pequeña, este calor se utiliza para la generación de energía eléctrica mediante generadores eléctricos impulsados por turbinas o motores térmicos.
En el Ecuador se está tratando de desarrollar la energía solar mediante reformas que impulsen proyectos de esta naturaleza, sin embargo recién se están dando los primeros pasos en el desarrollo de centrales fotovoltaicas; todavía no existen resultados notables en la implementación de la energía solar termo eléctrica. Los proyectos de energía solar termo eléctrica en el Ecuador son muy escasos, y constituyen prototipos, presentados como proyectos de investigación de algunas universidades del país, estos proyectos son de escala y generación reducida, utilizados para fines de investigación en los laboratorios de energía renovable de dichas instituciones.
2 Por lo anterior expuesto es necesario desarrollar un sistema mecatrónico, automático para la operación óptima del concentrador. El concentrador debe posicionarse automáticamente para recibir la mayor radiación solar posible y realizar un seguimiento automatizado del sol durante el día. El foco del disco parabólico recibirá la mayor energía posible lo que se reflejará en temperatura, se requiere que el foco esté expuesto a la máxima temperatura ofrecida por la radiación solar aun cuando sea un día nublado.
OBJETIVOS
Objetivo General
Diseñar e implementar un sistema de seguimiento automatizado del sol para el concentrador solar de la UTE, tomando en cuenta los requerimientos y consideraciones de diseño del proyecto.
Objetivos Específicos
Modelar el concentrador solar de la UTE en una herramienta de CAD en 3D y realizar un estudio cinemático del concentrador solar para seleccionar el actuador adecuado para el sistema.
Diseñar una aplicación web para la supervisión y control del sistema, para que pueda ser accedida desde internet independientemente de la plataforma utilizada, con varios modos de operación, además de un algoritmo de posicionamiento automático, adicionalmente retroalimentar las variables del proceso.
Diseñar e implementar el código embebido para el microcontrolador que se encargará de controlar el motor eléctrico, obtener las señales de retroalimentación del sensor mediante el bus I2C, y comunicarse a través de internet por medio de su módulo de Ethernet que se comunica mediante la interfaz SPI.
3 Con el cumplimiento de estos objetivos trazados para el presente proyecto, se busca aportar en la consecución de eventualmente finalizar el proyecto de investigación del concentrador solar de la UTE para su operación definitiva y poder realizar las pruebas necesarias dentro del proyecto de investigación. Para satisfacer el cumplimiento de los objetivos planteados se ha definido el alcance del proyecto en diseñar e implementar un sistema mecatrónico compuesto por un sistema mecánico de transmisión de potencia de un actuador, un sistema electrónico, que será la interfaz física entre el sistema mecánico y el sistema de control (software), y un sistema de control que consiste en el desarrollo de una aplicación web a través de la cual el usuario podrá supervisar y controlar remotamente el proyecto, que tendrá varios modos de operación a disposición del usuario; para el concentrador solar de la UTE ubicado en el campus occidental de la Universidad Tecnológica Equinoccial Quito, Ecuador.
4 El presente capítulo representa el estado del arte, se describen la energía solar y los concentradores solares como punto principal del proyecto, se detallan tipos de concentradores solares, sus aplicaciones, características, sistemas de control de seguimiento al sol.
2.1. ENERGÍAS RENOVABLES
La energía renovable es toda aquella fuente energética que proviene de la naturaleza y que es virtualmente inagotable, es decir que su tasa de renovación es mayor que su uso.
El principal beneficio e interés acerca de las energías renovables es su bajo o nulo impacto que tienen sobre el medioambiente, a diferencia de las energías no renovables como los combustibles fósiles. Sin embargo una desventaja de las energías renovables es que muchas veces resulta en un costo elevado el implementar este tipo de energías, también este tipo de energías resultan ser intermitentes por ejemplo la energía solar solo puede ser aprovechada durante el día.
Algunos ejemplos de fuentes de energía renovable son: energía solar, hidráulica, térmica, eólica, biomasa, geotérmica, mareomotriz.
5 sido utilizados por la humanidad considerablemente más tiempo que los combustibles fósiles, a pesar de que los sistemas actuales para el uso de estos combustibles son mucho más avanzados que en el pasado. Por lo tanto, no es que las energías renovables sean nuevas sino que hay el conocimiento de que en el largo plazo, las energías renovables son la única opción para una segura, y ambientalmente compatible fuente de energía (Quaschning, 2010).
2.1.1. ENERGÍA SOLAR
La energía solar es aquella energía que se obtiene del sol, resultado de la radiación electromagnética que brinda a la tierra. El sol puede ser considerado como el origen de la mayoría de las demás fuentes de energía.
6
Figura 2.1. Radiación solar en la tierra por año. (Conelec, 2008)
Según estudios de radiación solar del año 2002, esta energía equivale en un segundo al consumo mundial durante un año; la energía solar podría ser considerada la principal fuente de las llamadas energías renovables y posee un potencial para proveer de energía limpia a gran escala (INER, 2013). Ventajas
Pueden considerarse beneficios de la energía solar los siguientes: Fuente inagotable de energía.
Bajo impacto ambiental.
No generan ruido, ni contaminación visual.
Se está mejorando la eficiencia energética de los sistemas fotovoltaicos, tecnología en desarrollo con gran potencial.
Desventajas
Solo puede ser aprovechada durante el día, por lo tanto es intermitente. Se requieren baterías o sistemas de almacenamiento para abastecer
de energía durante la noche.
7 2.1.1.1. Radiación solar
Se denomina radiación solar al conjunto de radiaciones electromagnéticas emitidas por el sol.
La radiación solar se distribuye desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. No toda la radiación alcanza la superficie de la Tierra, porque las ondas ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases de la atmósfera. La magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energía que, por unidad de tiempo y área, alcanza a la Tierra. Su unidad es el W/m² (vatio por metro cuadrado). (Wikipedia, 2014).
La constante solar es la cantidad de energía recibida en forma de radiación solar por unidad de tiempo sobre superficie, se mide en la parte externa de la atmósfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol. Su valor experimental promedio es de 1366 W/m2, sin embargo parte de esta radiación
es absorbida por las nubes, y se considera que llegan 1000W/m2 a la
superficie de la tierra. En el Ecuador la irradiancia promedio es de 2543.01 Wh/m2 al día como se muestra en el anexo 2.
Existen tres componentes en la radiación solar: la radiación directa, la radiación difusa y la radiación solar reflejada, como se muestra en la figura 2.2.
8 Radiación solar directa: es la componente que llega directamente del foco solar, sin reflexiones o refracciones intermedias, produce una sombra sobre los elementos que se atraviesan.
Radiación solar difusa: es emitida por la bóveda celeste diurna gracias a los diversos fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes, y el resto de elementos atmosféricos y terrestres.
Radiación solar reflejada: es la componente resultado de la radiación reflejada por la superficie terrestre.
La radiación directa puede ser reflejada y concentrada, en cambio la radiación difusa no puede ser concentrada ya que proviene de todas direcciones.
2.2. TECNOLOGÍAS DE LA ENERGÍA SOLAR
A partir de la energía solar se puede generar calor y electricidad. Se han desarrollado varias tecnologías para recolectar y aprovechar la radiación solar para generar energía.
2.2.1. ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA
La energía solar fotovoltaica es aquella que transforma la radiación solar en electricidad mediante el uso de paneles solares por medio del efecto fotovoltaico.
9 eléctrica. Cada celda produce sólo uno o dos vatios. Pero las celdas pueden agruparse en módulos para producir más energía (Paneles solares); si se tienen necesidades superiores, se pueden unir módulos para formar conjuntos. Un conjunto puede incluir uno o más módulos, según la cantidad de energía necesaria. Los sistemas con celdas fotovoltaicas tienen un 10% de eficiencia, pero hay investigaciones en curso para elevar ese valor a un 20% (Planetseed, 2014).
La energía solar fotovoltaica de las fuentes de energía solar es la que ha tenido mayor desarrollo hasta la actualidad. Según informes de la organización ecologista Greenpeace: “la energía solar fotovoltaica podría suministrar electricidad a dos tercios de la población mundial en 2030”.
A finales de 2013, se ha llegado a instalar en todo el mundo cerca de 140 GW de potencia fotovoltaica.
Figura 2.3. Energía solar fotovoltaica.
(Quaschning, 2010).
2.2.2. ENERGÍA SOLAR TÉRMICA
10 calor de forma limpia que sirve para calentar piscinas, agua para uso industrial, doméstico, aire acondicionado, cocinar alimentos.
Los principales componentes para el desarrollo de esta energía son los colectores solares, existen distintos tipos de colectores:
Colectores de baja temperatura: temperaturas menores a 65 °C, se usan para calentamiento de piscinas, calentamiento de agua, y actividades industriales que requieren bajas temperaturas como la pasteurización, lavado textil, etc.
Colectores de media temperatura: Temperatura de trabajo entre 100 y 300 °C. Utilizan solamente la radiación solar directa por eso deben ubicarse en zonas de alta insolación, se utilizan para procesos industriales que requieran temperaturas más altas, como hornos.
Figura 2.4. Captadores solares para la energía térmica.
(Biodisol, 2014).
2.2.3. ENERGÍA TERMOELÉCTRICA
11 En la energía solar termo eléctrica se utilizan colectores solares de alta temperatura, que operan a una temperatura de trabajo superior a los 500 °C. Existen en tres variantes: concentradores de plato parabólico, de canal parabólico y los sistemas de torre central.
Estos concentradores se usan para generar energía eléctrica (electricidad termo solar), generalmente se agrupa varios de estos elementos para formar una central térmica solar con el fin de generar una cantidad significativa de energía eléctrica que será transmitida a la red eléctrica; se instalan en lugares donde generalmente no haya días nublados.
El principio de funcionamiento de la Energía Termo solar es el siguiente: Captación, concentración y transformación de la radiación solar en
calor, a media-alta temperatura (desde 400ºC y hasta 2.000ºC) Transferencia a un fluido térmico.
Producción de vapor de agua tras un intercambio térmico. Expansión en turbinas conectadas a alternadores.
Generación de electricidad para inyección a la red de distribución (Acedis, 2014).
Figura 2.5. Torre solar térmica.
12
2.3. CONCENTRADORES SOLARES
Los concentradores solares son los principales componentes en la tecnología de electricidad solar de concentración (Concentrated solar power CSP), son los elementos que tienen por función recolectar la radiación solar para usarla como fuente de energía ya sea para producir calor o energía eléctrica.
Básicamente son colectores que reflejan la radiación solar de un área grande a un área más pequeña (foco) o una línea para aumentar la intensidad energética.
Los concentradores solares utilizan espejos para recolectar y concentrar la luz del sol a fin de producir grandes cantidades de electricidad. La luz solar captada calienta agua o algún otro fluido para producir vapor. El vapor alimenta un generador que produce electricidad. La cantidad de energía producida por los sistemas colectores solares varía. Los sistemas más pequeños pueden generar energía para toda una comunidad rural. Los sistemas más grandes pueden brindan electricidad para la red básica de suministro de energía de una región. Estos concentradores poseen una superficie reflectante que, ya sea de metal, de vidrio o de plástico, que refleja la radiación solar directa incidente en una pequeña región llamada foco, o zona focal (Zabalza, 2010).
Aplicaciones
Generar energía eléctrica.
Generar calor para cocinar (cocina solar). Calentar agua para consumo en una vivienda. Deshidratación de alimentos.
Desalinización de agua marina.
13
Figura 2.6. Concentradores solares. (Zabalza, 2010).
Actualmente se han desarrollado cuatro tipos principales de tecnologías para la concentración solar térmica o cinco tipos de concentradores solares:
Plato parabólico de disco/Stirling (Concentración puntual).
Fresnel (Concentración lineal). Torre solar (Concentración puntual).
Canal o cilindro parabólico (Concentración lineal).
2.3.1. CONCENTRADOR FRESNEL
14 así más radiación solar directa, y son mucho más baratos que los reflectores de cilindro parabólico.
Con este diseño se espera temperaturas de hasta 3000 C, a lo largo de la línea
focal de concentración. Generalmente Se instalan a nivel del piso y siguen la trayectoria aparente del sol girando alrededor de un eje horizontal (Hoyos, et al, 2008).
Los concentradores solares frenel se indican en la figura 2.7 con sus partes principales.
Figura 2.7. Concentradores solar tipo fresnel. (Lara, 2013)
Este tipo de tecnología está ganando más importancia que la de canal parabólico, ya que el costo de instalación es menor, la concentración de energía es mayor y se utiliza en centrales solares termo eléctricas de 500MW hasta 1000MW.
15
Figura 2.8. Central solar termo eléctrica con concentradores fresnel. (Muller, 2004).
2.3.2. CANAL O CILINDRO PARABÓLICO
Son concentradores de foco lineal y móvil, con seguimiento en un solo eje, concentraciones de la radiación de 30 a 80 veces y potencias por campo unitario de 30 a 80 MW (Romero, 2002).
16
Figura 2.9. Concentradores de canal parabólico. (Romero, 2002).
2.3.3. PLATO PARABÓLICO TIPO STIRLING
Son unidades independientes con reflector parabólico habitualmente conectado a un motor Stirling situado en el foco. Los niveles de concentración son superiores (1.000-4.000) y las potencias unitarias son de 5 a 25 kW (Romero, 2002).
A diferencia de los concentradores de canal parabólico y fresnel, los concentradores de plato parabólico concentran la energía solar en un punto focal, no concentran en una zona lineal como los anteriores. Este concentrador tiene una forma de parábola pero formado por un cuerpo en forma de plato, es por eso que se les denomina paraboloides que es una parábola en 3D, o si se quiere, es una superficie de revolución, de sección parabólica.
17 alta eficiencia con Hidrógeno o Helio y que cuenta con un sistema de enfriamiento que usa un fluido que trabaja en ciclo cerrado. La mayoría de los discos cuentan con un motor/generador independiente en el punto focal (CIFES, 2014).
Figura 2.10. Concentrador solar tipo plato parabólico con motor Stirling.
(Wikipedia, 2014).
Con este tipo de concentrador solar se pueden obtener temperaturas de hasta 8000 C en el foco receptor de energía. La tecnología de disco parabólico y
motor Stirling ostenta el récord de rendimiento instantáneo, de un 31,25%, no obstante el rendimiento anual es entorno al 26,4% (Atmosferis, 2013).
2.3.4. TORRE SOLAR
18 Las torres de poder solar son estructuras parecidas a las centrales térmicas pero que utilizan una torre de gran altura para captar los rayos del sol y transformarlos en energía eléctrica. Para ello cuentan con unos espejos, llamados heliostatos que hacen posible que todos los rayos incidan sobre la parte superior de la torre. Cabe destacar que los espejos son controlados por ordenadores que tienen estudiado el movimiento del sol a lo largo del día de modo que se obtiene un buen rendimiento. Una vez los rayos han llegado a la parte superior de la torre, la energía captada se utiliza para calentar agua. Este vapor mueve una turbina que está conectada a un generador eléctrico. Actualmente se utilizan sales fundidas en vez de agua. Las sales, compuestas por un 60% de nitratos de sodio y un 40% de nitratos de potasio transportan el calor del colector hasta el generador de vapor que luego será transformado en energía eléctrica. Es importante remarcar que la utilización de sales tiene una gran ventaja ya que permite almacenar el calor para seguir produciendo energía eléctrica cuando no se goza de luz solar (themorningstarg2, 2014). Generalmente la temperatura del fluido de trabajo de una torre de poder solar alcanza los 10000 C.
Figura 2.11. Torre de poder solar.
19 Para realizar una síntesis de las tecnologías de los concentradores solares, se muestra una tabla de comparación con los factores más importantes y distintivos de cada tipo de concentrador solar.
Tabla 2.1. Comparación entre tecnologías de concentradores solares.
(Romero, 2002).
2.4. MOVIMIENTO DE LA TIERRA RESPECTO DEL SOL
El Sol es una estrella que se encuentra a una temperatura superficial media de 6000 K, en su interior se da una serie de reacciones de fusión nuclear que producen una pérdida de masa que se transforma en energía. Esta energía liberada del Sol se transmite al exterior mediante la radiación solar, en promedio se considera que entrega una radiación de 1000W/m2 en la
superficie de la tierra.
Como se puede apreciar en la figura 2.12 el sol es un astro de 13.9 x 105 km,
mientras que el diámetro de la tierra es de 12.7 x 103 km, esto quiere decir
que el sol es 109 veces más grande que la tierra, la distancia entre los dos es de 14.9 x 107 km, por lo tanto se forma un ángulo de 32’ minutos que es lo
20
Figura 2.12. Relación geométrica entre el sol y la tierra.
(Foster, 2010)
En la figura 2.13 se indica el comportamiento de la tierra alrededor del sol, la tierra tiene dos movimiento principales, uno de rotación en el cual la tierra gira sobre su propio eje polar, de oeste a este. Si la referencia es el Sol, el movimiento dura 24 horas para que el sol pasa por el mismo punto visto desde la tierra cada; y uno de traslación que dura 365 días para completar una revolución alrededor del sol. La tierra se encuentra inclinada a 𝛿 = 23.450, este
ángulo es el origen de las estaciones a lo largo del año.
Figura 2.13. Órbita de la tierra.
(Foster, 2010).
21 Solsticio de verano: Comienza en junio, para el hemisferio norte es el
inicio del verano, para el hemisferio sur es invierno.
Equinoccio de otoño: Comienza en septiembre, para el hemisferio norte es el inicio del otoño, para el hemisferio sur es primavera.
Solsticio de invierno: Comienza en diciembre, para el hemisferio norte es el inicio del invierno, para el hemisferio sur es verano.
Equinoccio de primavera: Comienza en marzo, para el hemisferio norte es el inicio de la primavera, para el hemisferio sur es otoño.
2.4.1. TRAYECTORIA APARENTE DEL SOL
Se denomina trayectoria aparente del sol, ya que en realidad la que rota es la tierra, en dirección hacia el este, esta rotación para un espectador ubicado en la tierra, causa una sensación de que el sol es el que se está moviendo en dirección opuesta.
Para determinar la posición del sol visto desde la tierra se necesitan básicamente dos componentes o ángulos:
Ángulo azimutal (A): ángulo medido desde el norte en sentido de las manecillas del reloj.
Ángulo de elevación (h): ángulo medido desde el horizonte.
Con esos dos componentes se puede determinar la trayectoria del sol. Sin embargo para calcularlos es necesario conocer otros factores como la latitud y longitud desde el punto donde se quiere determinar la posición del sol, la hora y el día del año.
La latitud φ (Phi) es un ángulo que determina la localización angular hacia el norte o el sur a partir del ecuador, hacia el norte es positiva, hacia el sur negativa, y va desde -900 hasta 900, como se muestra en la figura 2.15.
22
Figura 2.14. Ángulos solares.
(Foster, 2010).
Figura 2.15. Ángulo de latitud en la tierra.
(Medina, 2012).
Entonces para calcular los ángulos solares de acimut y elevación se han desarrollado modelos matemáticos en función de la hora, el día del año y la latitud φ, bastan estos elementos para determinar en qué posición se ubicará el sol bajo esos parámetros de cálculo, el procedimiento para realizar el cálculo de los ángulos de acimut y elevación es el siguiente:
1. Determinar el ángulo de inclinación de la tierra (𝛿), con la siguiente ecuación de Cooper:
23 Donde:
𝛿 = Ángulo de inclinación de la tierra.
𝑛 = Día del año.
2. Calcular el ángulo horario (hs) en función de la hora en la que se quiere conocer la posición del sol, corresponde al ángulo que se forma entre el medio día solar y la hora de referencia:
ℎ𝑠 = (12 − ℎ𝑜𝑟𝑎) ∗ 15 [2.2]
Donde:
ℎ𝑠 = Ángulo horario.
3. Una vez obtenidos 𝛿 y ℎ𝑠, se procede a calcular el ángulo de elevación solar, mediante la ecuación 1.3:
sin (ℎ) = cos (φ)cos (𝛿)cos (ℎ𝑠) + sin (φ)sin (𝛿) [2.3]
Donde:
ℎ = Ángulo de elevación solar.
φ = Latitud.
𝛿 = Ángulo de inclinación de la tierra.
ℎ𝑠 = Ángulo horario.
4. Finalmente conocido el ángulo de elevación solar (h), se puede calcular el ángulo azimutal solar (A) con la siguiente ecuación:
sin(𝐴) = cos(𝛿) ∗ sin(ℎ𝑠) cos(ℎ) [2.4]
Donde:
ℎ = Ángulo de elevación solar.
24
ℎ𝑠 = Ángulo horario.
Generalmente el resultado de este proceso es lo que se conoce como solar charts, o gráficos de la trayectoria del sol, que son curvas que indican la trayectoria del sol en una latitud dada y con un rango de horas durante las cuales está presente el sol en dicha latitud, esto facilita la interpretación de los resultados de la trayectoria y se utiliza en el diseño de los seguidores solares.
Figura 2.16. Gráfico de trayectoria solar en latitud de 450.
(Foster, 2010).
2.5. SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR
Como el sol presenta un movimiento aparente durante el día, se dice aparente ya que en realidad la tierra es la que rota alrededor de este, se han desarrollado mecanismo móviles para aumentar la eficiencia y operación de estos dispositivos, asegurando que siempre se encuentren orientados a la posición del sol para recolectar la mayor cantidad de radiación posible, lo que se traduce en una mayor temperatura en la zona focal, de ahí nace la necesidad de la implementación de estos seguidores solares.
25 involucra un sistema mecánico para la transmisión de potencia y un sistema de control encargado de gobernar el sistema.
Hasta ahora se utilizan sistemas estáticos pero su eficiencia es limitada ya que captan la radiación solar durante un par de horas. Por eso últimamente se han venido implementando sistemas de seguimiento solar en los concentradores solares y en paneles fotovoltaicos también.
Es justificable dependiendo de las condiciones y requerimientos de un proyecto de energía solar, la implementación de un sistema de seguimiento solar, ya que cuando un panel fotovoltaico o un concentrador solar tienen un montaje estático, la eficiencia se ve mermada de acuerdo a la siguiente tabla, dependiendo del ángulo que se encuentre desviado de la radiación solar directa.
Como se puede ver el movimiento aparente del sol le afecta negativamente a la temperatura alcanzada por el sistema, ya que si el sistema colector es estático tendrá pérdidas de eficiencia cada vez mayores que el ángulo de la radiación solar sea distinto al ángulo en el que se encuentra el concentrador:
Tabla 2.2. Pérdidas por sistemas estáticos.
(Wikipedia, 2014).
i Pérdida = 1 - cos(i) i Pérdida
0° 0% 15° 3.4%
1° 0.015% 30° 13.4%
3° 0.14% 45° 30%
8° 1% 60° >50%
26 Los seguidores solares se clasifican de acuerdo al número de grados de libertad que tenga el sistema, existen de un grado de libertad (un eje) y de dos grados de libertad (dos ejes).
2.5.1. SEGUIDORES SOLARES DE UN GRADO DE LIBERTAD
Son seguidores que rotan alrededor de un eje, por eso solo tienen un grado de libertad. Existen tres tipos de seguidores solares de un eje:
Seguidor solar de un eje horizontal: Este tipo de seguidor tiene el eje horizontal respecto al suelo. En este caso, el eje horizontal está orientado Norte-Sur, y a lo largo del día el concentrador girará sobre este eje, siguiendo el movimiento aparente del Sol. Este tipo de seguidor es recomendable en latitudes cercanas al ecuador (Guardado, 2012).
Figura 2.16. Seguidor solar de eje horizontal.
(Rockwell Automation, 2014).
27 una mejor ganancia por año con respecto a éste ya que corrige la declinación de la trayectoria coincide con la del Sol, en contra se tiene un diseño más elaborado (Beltrán, 2007).
Figura 2.17. Seguidor solar de un eje polar.
(Beltrán, 2007).
Seguidor solar de un eje vertical (azimutal): Este tipo de seguidor, gira alrededor de un eje vertical, normal a la superficie terrestre, se utiliza en latitudes altas (hemisferio norte) donde el sol no llega muy alto, pero los días de verano puede ser muy largos. Se utilizan con diseños de espejos parabólicos y Fresnel lineales. Rotan de este a oeste.
Figura 2.18. Seguidor solar de un eje vertical.
28 Existe una variación final de tipo de seguidor de un solo eje, denominado seguidor solar de eje inclinado, este no es más que una combinación entre el seguidor de eje vertical y el de eje horizontal, que tiene su eje de rotación en medio de los dos, es decir que su eje de rotación puede encontrarse en el suelo y el eje vertical.
Según strathconasolar, una compañía de energía solar, ubicada en Ontario, Canadá: Las características más importantes de los seguidores solares de un eje son las siguientes:
Siguen al sol de este a oeste, usando un punto de pivote. Incrementan la eficiencia hasta en un 34%.
Diseño simple y efectivo. Bajo mantenimiento.
Menor costo comparado a los seguidores de dos ejes. Robustos, no propensos a fallas.
2.5.2. SEGUIDORES SOLARES DE DOS GRADOS DE LIBERTAD
Los seguidores solares de dos grados de libertad aseguran seguir en cualquier lugar del mundo, todo el día y durante el año, con alta precisión al sol, a un costo elevado sin embargo.
Existen dos tipos de seguidores solares de dos ejes:
29 soporte en anillo. Esto permite colocar concentradores más grandes y pesados sobre este tipo de seguidor solar.
Figura 2.19. Seguidor solar de dos ejes azimutal-elevación.
(Neo energías, 2011).
Seguidor solar de dos ejes Tip-Tilt (Monoposte): Consiste en un seguidor solar con un eje horizontal y con otro vertical, el concentrador se monta en una columna (poste). Pueden ser ubicados en cualquier locación, y aun así pueden seguir al sol gracias a sus dos grados de libertad.
Figura 2.20. Seguidor solar de dos ejes tip-tilt.
30 La principal desventaja que tienen los seguidores solares es el costo, ya que los equipos necesarios como motores, sistema de control, sistema mecánico de reducción, son costosos, además si se le suma la instalación y el mantenimiento muchas veces resulta más costoso que el concentrador solar en sí.
Existe un debate sobre si es en realidad rentable implementar un seguidor solar de dos ejes en vez de uno de un eje, muchos autores como el Dr David Lubitz, de la Universidad de Guelph, escuela de ingeniería publicó un artículo donde analiza 217 seguidores solares, y llegó a la conclusión que los seguidores solares de doble eje aumentaban la eficiencia de un concentrador solar en apenas 3%-4%, lo cual no justifica la inversión y costos de operación, mantenimientos de los seguidores solares de dos ejes (Strathconasolar, 2011).
Por lo tanto es aconsejable implementar los seguidores solares de dos ejes en lugares donde no exista mucha radiación solar, para que se justifique la inversión.
Según strathconasolar, una compañía de energía solar, ubicada en Ontario, Canadá: Las características más importantes de los seguidores solares de dos ejes son las siguientes:
Siguen al sol de este a oeste, y de norte a sur, usando dos puntos de pivote.
Incrementan su eficiencia hasta en un 37%.
Diseño complejo, requiere más actuadores, sensores y algoritmos de control.
Alto mantenimiento.
Costo de operación e instalación elevadas. Más tendencia a fallos.
31 2.5.3. SISTEMAS DE CONTROL Y MONITOREO DE SEGUIDORES
SOLARES
Una vez definidas las distintas disposiciones de los seguidores solares, se puede revisar los métodos de control para su operación.
Es necesario seguirle al sol debido a que como el sol cambia de posición durante el día, el concentrador debe buscar siempre recibir la mayor cantidad de radiación directa solar, para aumentar su eficiencia, lo que se ve reflejado en un aumento de Temperatura en la zona focal del concentrador.
Para lograr esto, existen varios modos de control para gobernar la operación de los sistemas de seguimiento solar de los concentradores solares, los principales métodos son control en lazo cerrado y control en lazo abierto.
2.5.3.1. Control en lazo abierto
Es la forma más simple de control para un concentrador solar, consiste en la aplicación de un algoritmo que calcule teóricamente donde debe estar ubicado el sol en un instante dado, y da la señal a un actuador para que le posiciones a ese ángulo; para este control se prefiere utilizar motores paso a paso, ya que dan la opción de realizar posicionamiento en lazo abierto. Dependiendo del código de alimentación de las bobinas del motor paso a paso, este va a girar un cierto número de grados, por lo tanto se espera que gire tantos grados y posicione al concentrador solar, sin embargo no existe retroalimentación y por lo tanto no se sabe si el concentrador solar efectivamente se encuentra en la posición indicada.
32 esa velocidad de rotación tan baja se requiere de varias cajas reductoras con una reducción muy alta, lo que encarece su diseño significativamente.
2.5.3.2. Control en lazo cerrado
El control en lazo cerrado es la técnica más precisa para gobernar a un sistema de seguimiento solar. Este tipo de control requiere de algún tipo de retroalimentación en el sistema para verificar que se estén cumpliendo las órdenes de control. A breves rasgos para conocer los sistemas retroalimentados, se describen los siguientes:
Sensores de posición
Esta técnica se emplea en los sistemas de seguimiento solar comerciales, dada su robustez en control, ya que realimenta la posición real en la que se encuentra el concentrador solar. Para implementar esta técnica es necesario primero desarrollar un algoritmo de control que calcule los ángulos solares con las ecuaciones descritas anteriormente, con estos ángulos calculados, el hardware de control posiciona al concentrador solar a esos ángulos mediante los actuadores eléctricos, y se utiliza la señal de un sensor de posición como un limit switch, sensores inerciales para determinar la posición real del concentrador solar.
Sensores LDR
33
Figura 2.21. Sensores LDR para seguimiento solar.
(Ribeiro, 2013).
Estos sensores bajan su resistencia cuando reciben mayor cantidad de luz, por lo tanto mediante un circuito divisor de voltaje, y la curva característica del sensor se puede determinar cuanta luz le está llegando a cada sensor. Esta señal es retroalimentada al microcontrolador, y se verifica que el concentrador solar se encuentre balanceado con dirección al sol.
Visión artificial
Otro modo de control en lazo cerrado es el uso de la visión artificial, aunque todavía se encuentra en etapas tempranas de desarrollo la implementación de visión artificial en los seguidores solares, ya que ningún seguidor solar comercial utiliza esta técnica, debido a que solo funciona en un día despejado y sin nubes.
Esta técnica consiste en montar una cámara en el foco del concentrador solar, y desarrollar un algoritmo de control, que detecte al sol en tiempo real por medio de las imágenes de la cámara y vaya posicionando al concentrador solar, por medio de los actuadores, de tal forma que el sol siempre permanezca centrado en la cámara, para verificar que el concentrador solar siempre esté normal a la radicación solar directa.
Sensor de temperatura
34 puntos, y posicionar al concentrador solar, en la ubicación donde exista mayor energía calorífica.
Sensor de radiación solar
35 La ingeniería mecatrónica es la disciplina que integra la ingeniería mecánica, la ingeniería electrónica y la ingeniería de control; es una metodología de diseño cuyo fin es la elaboración y manufactura de productos y procesos inteligentes que faciliten las tareas y en general la vida del ser humano, la representación de la mecatrónica en diagramas de ven se puede apreciar en la figura 3.1.
Figura 3.1. Áreas del conocimiento de mecatrónica.
(Centro nacional de investigación y desarrollo tecnológico, 2014)
36
Figura 3.2. Metodología mecatrónica.
La figura 3.2 detalla la metodología utilizada en el presente trabajo de titulación, se parte de las especificaciones y necesidades del sistema esto quiere decir cómo debe trabajar el sistema, una vez definidas estas características del sistema, se procede a realizar en paralelo el diseño mecánico, el diseño electrónico y el diseño de control, luego de realizar estos tres diseños, se realiza un prototipo virtual para validar el diseño y verificar su funcionamiento; partiendo del modelo virtual se procede a realizar el prototipo físico del sistema con sus respectivas pruebas para garantizar su adecuado funcionamiento.
Esta investigación trata sobre el diseño de un sistema de seguimiento automatizado del sol para el concentrador solar de la UTE, tomando en cuenta los factores y requerimientos del proyecto para la selección del sistema de control, sensor de retroalimentación para posicionamiento del plato parabólico, el actuador eléctrico, materiales para las partes mecánicas, interfaz gráfica.
El trabajo inicia con el modelamiento del concentrador solar en una herramienta de CAD 3D, a partir del modelo se analiza el torque necesario para la selección del actuador eléctrico que potencia al sistema, se realiza el diseño mecánico y manufactura del soporte del motor y el piñón para el eje del motor, que será el encargado de transmitir la potencia por cadena a la reducción mecánica del concentrador solar, tomando en cuenta fuerzas, esfuerzos y velocidad que estos deben soportar; luego se lleva a cabo el Especificaciones /
requerimiento del sistema
Diseño mecánico
Diseño electrónico Protipo virtual
Prototipo físico
Manufactura final Pruebas de
37 diseño electrónico del sistema que consta del circuito eléctrico de control, basado en la placa arduino mega 2560, un acelerómetro y giroscopio de 6 DOF que será la señal de retroalimentación del sistema de lazo cerrado, también consta el sistema de potencia para el control del motor eléctrico; finalmente se diseña el sistema de control que consiste en una aplicación web tipo SCADA mediante la cual el usuario podrá supervisar, controlar el concentrador solar vía internet, la aplicación web cuenta con una simulación del modelo virtual del concentrador en la que se simula su comportamiento dinámico en función de las órdenes del usuario, también se puede supervisar el funcionamiento del sistema mediante video en tiempo real gracias a una cámara IP.
3.1. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
Por lo anterior expuesto es necesario desarrollar un sistema de control que gobierne al concentrador solar de la UTE, la filosofía de diseño para este proyecto se basa en software y hardware open source, lo que significa que se utilizan herramientas de código libre y abierto. Además de buscar reducir los costos monetarios y energéticos no solo de implementación sino de operación también, es por eso que se ha buscado implementar este control e interfaz gráfica en una página web, de esta manera el control y la supervisión del sistema se podrán realizar remotamente desde cualquier dispositivo electrónico con conexión a internet, para así evitar tener que instalar una HMI o una computadora al lado del concentrador solar.
El diseño del proyecto propone los siguientes requerimientos técnicos de ingeniería:
Sistema dinámico con un grado de libertad (1DOF), de eje horizontal. Movimiento rotacional de 0 a 360 grados.
Control remoto del sistema desde internet.
Modo de control automático y manual del sistema.
38 Comunicación en tiempo real vía internet con el hardware de control. Interfaz gráfica online tipo SCADA.
En la tabla 3.1 se puede apreciar a manera de resumen las características del proyecto.
Tabla 3.1. Requerimientos de diseño del proyecto.
Función Automatizar el movimiento del concentrador solar. Restricciones Operar en condiciones normales.
Objetivo Maximizar la concentración de energía en el foco del concentrador solar.
3.2. ENFOQUE
DE
DISEÑO
CON
INGENIERÍA
CONCURRENTE
La ingeniería concurrente consiste en realizar el diseño de cada subsistema del proyecto en paralelo, y al final unir el resultado del sistema mecánico, eléctrico y de control.
La figura 3.3 demuestra el procedimiento del diseño en paralelo dentro de la metodología mecatrónica.
39 Para realizar la sinergia de los distintos sistemas es preciso escoger los materiales, métodos y dispositivos oportunos para obtener el mejor resultado posible con base a los requerimientos del sistema previamente establecidos. Por lo tanto se necesita proponer distintas soluciones que cumplan las funciones del sistema y las expectativas de los requerimientos del proyecto, en la tabla 3.2 se pueden apreciar tres alternativas distintas que pueden ser implementadas en el proyecto.
Tabla 3.2. Propuesta de alternativas de diseño.
Solución Alternativa 1 Alterativa 2 Alternativa 3
Controlador Raspberry Pi B+ Arduino Mega
2560
PLC Siemens
S7-1200
Actuador Actuador lineal Motor DC Motor Trifásico
jaula de ardilla
Material Aluminio Acero Duralón
Sensor Capacitivo Acelerómetro Potenciómetro
Técnica de
control Visión artificial
Algoritmo en
función de la hora
con control tipo
fuzzy
Sensores LDR
Software de
modelamiento 3D Autodesk Inventor Solidworks Maya
Sistema de
comunicación
online
HTTP Websocket UDP
Simulación
Online Flash
Processing (Java
40 Para determinar cuál de las tres alternativas propuestas es la mejor, es preciso realizar un análisis objetivo conocido como ingeniería de criterios ponderados.
3.3. INGENIERÍA DE CRITERIOS PONDERADOS
Los datos presentados en la tabla 3.3 representan la tabla de criterios ponderados para la selección de la mejor alternativa del proyecto, los criterios de ingeniería que se proponen en la tabla son los siguientes:
Costo: Su valor de manufactura, instalación y operación sean lo menor posible.
Material: El material utilizado en la manufactura del diseño mecánico sea resistente y duradero.
Peso: El peso del sistema sea lo más ligero posible.
Mantenimiento: Facilidad de realizar mantenimientos preventivos y correctivos al sistema.
Funcionalidad: Que cumpla con las expectativas de los requerimientos de diseño.
Control: Que la alternativa propuesta del control del sistema cumpla con efectividad el seguimiento automático del sol durante el día.
Actuador: Que el actuador sea el adecuado para las condiciones de uso del sistema.
Instalación: Factibilidad de instalación de los componentes en el concentrador solar de la UTE tomando en cuenta el entorno.
41 En función de estos criterios de ingeniería se realiza una calificación con cada alternativa partiendo de una escala de 1 al 5 siendo el 5 el mejor resultada posible. La calificación dada a las distintas alternativas en los criterios proviene de experiencias pasadas, trabajos similares y un análisis de los componentes que cumplirán los requerimientos de cada criterio.
Tabla 3.3. Valoración de las alternativas del proyecto.
Una vez que se determinada la valoración de las alternativas del proyecto, se realiza una nueva tabla, esta vez comparando los criterios de ingeniería entre sí para obtener el peso de cada criterio, el peso determina la importancia del criterio de ingeniería en el proyecto, en la tabla 3.4 se observan estos valores, donde 1 corresponde a un alto nivel de relación, 0.5 a medio y 0 a relación inexistente. De la tabla 3.4 se puede obtener que los tres criterios de ingeniería más relevantes para el proyecto son: costo, actuador y el diseño.
Finalmente para determinar objetiva y numéricamente la alternativa ganadora, se debe calcular el valor de cada criterio en las distintas alternativas, esto se realiza multiplicando el peso (ponderación) del criterio por los valores de la tabla 3.3. El resultado de este análisis tiene como ganador a la alternativa 2;
SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS
5 ES ÓPTIMO 1 ES MENOR
C o s to Ma te ri a l Pe s o M a n te n im ie n to F u n c io n a li d a d C o n tr o l A c tu a d o r In s ta la c ió n D is e ñ o Vi d a Ú ti l T O T A L ALTERNATIVA
1 3 3 3 4 3 4 4 3 3 2 32
ALTERNATIVA
2 4 5 4 4 5 5 5 4 5 5 46
ALTERNATIVA
43
Tabla 3.4. Criterios ponderados del proyecto con requerimientos de
44
45
3.4. SISTEMA MECÁNICO
Para el desarrollo del sistema mecánico se partió modelando el concentrador solar en 3D para determinar el torque necesario del actuador eléctrico, una vez determinado el sistema motriz, se procedió a diseñar el soporte que sirve como base para el motor eléctrico, ya que este se encuentra en la parte alta del concentrador solar de la UTE.
Durante el proceso de diseño del sistema mecánico se tomaron en cuenta varios factores: un grado de libertad del proyecto, frecuencia de trabajo, acoplar el sistema motriz a la reducción que tiene el concentrador solar. Para realizar este análisis mecánico se empleó solidworks como la herramienta principal de análisis ya que cumplió con la función de modelado 3D, de análisis por elementos finitos (FEA) con su Add-in de Simulation advisor y de estudio de movimiento con motion analysis dentro de un ambiente virtual.
Debido a que el sistema requiere un mecanismo de control continuo de posición del plato parabólico para que siempre esté en dirección del sol, esto se logra a través de la integración o control del motor eléctrico con un sistema unidireccional del movimiento o de auto enclavamiento para que el sistema no se mueva de la posición correcta o deseada, esto se puede lograr seleccionando un motor tipo paso a paso o un servomotor AC, o un motorreductor con freno electromagnético o a su vez independientemente del motor ocupado se puede acoplar un sistema reductor tipo tornillo sinfín o reductor de gusano que sea autoblocante, es decir que el movimiento solo puede ser transmitido desde el motor hasta la carga inercial y no en dirección contraria, la velocidad del sistema es constante
46
𝜏 = 𝐼 𝛼 [3.1]
Donde:
𝜏 = Torque
𝐼 = Momento de inercia del sólido
𝛼 = Aceleración angular
A partir de los requerimientos del proyecto y de un análisis realizado sobre los tipos de seguidores solares, se llegó a la conclusión que para este proyecto es más conveniente dejar el movimiento en 1 grado de libertad (Este-oeste), ya que los seguidores solares que tienen 2 grados de libertad en el mejor de los casos aumentan su eficiencia de un 3 a 4% en relación a los de 1 grado de libertad, otro factor relevante para llegar a esta resolución fue el costo y el mantenimiento que implicaría diseñar, implementar el sistema motriz y el control para el otro grado de libertad.
47
48
3.5. SISTEMA ELECTRÓNICO
El proceso de diseño del sistema electrónico consistió en la formulación de un circuito digital que comprende tres etapas. La figura 3.5 detalla el proceso de diseño electrónico.
La primera etapa o de adquisición de señales, es la parte del circuito que adquiere la señal proveniente de un módulo MPU 6050, que consta de un acelerómetro de 3 ejes y un giroscopio de 3 ejes. Esta pequeña placa que consta de estos dos sensores formando una placa de movimiento de 6 grados de libertad, se comunica bajo el bus de comunicación I2C diseñado por Phillips, con el microcontrolador.
La segunda etapa o de potencia que realiza el control y manejo del motor eléctrico que sirve para comandar el posicionamiento del sistema. Los elementos seleccionados en el diseño de esta parte del circuito deben soportar los requerimientos de alimentación del motor eléctrico, deben soportar su corriente de operación, y no sobrecalentarse.
La tercera etapa que consiste en la comunicación vía Ethernet desde la placa de control arduino, este requerimiento del proyecto es posible gracias a un módulo o shield (placa electrónica compatible con arduino) basado en el circuito integrado WIZnet W5100 controlador de Ethernet embebido TCP/IP. La comunicación de este shield se lleva a cabo bajo el estándar de comunicación SPI con la placa de arduino, lo cual permite una comunicación full duplex entre el microcontrolador y el shield.
49
50
3.6. SISTEMA DE CONTROL
Finalmente el sistema de control consiste en el diseño de una aplicación web alojada en un servidor, mediante la cual el usuario o cliente podrá supervisar, controlar remotamente a distancia, al concentrador solar de la UTE desde cualquier parte del mundo a través de un dispositivo con conexión a internet. Por lo tanto se desarrolló una interfaz gráfica de control y adquisición de datos en tiempo real accesible desde cualquier navegador que soporte HTML5, dadas las prestaciones y características del entorno gráfico y de control, se puede decir que la naturaleza de la aplicación web es de tipo SCADA.
A este tipo de control a través de internet se le denomina tele-control, el mecanismo por el cual se logra efectivizar el control son los protocolos de internet TCP/IP, http, y recientemente la aparición de HTML5.
Se seleccionó la tarjeta de control arduino y su shield de Ethernet para cumplir con la metodología mecatrónica de embeber el software, en este caso el sistema de comunicación websocket se embebió en el microcontrolador y su shield.
Una vez establecida la aplicación web y el sistema embebido websocket, se aplica la ingeniería de control para determinar el funcionamiento del concentrador solar, es decir que se aplican técnicas y métodos del control en el sistema en función de las variables del proceso.
Primero se analizan las variables de proceso o las variables que intervienen en el sistema:
El tiempo (hora).
La posición del sol (movimiento aparente del sol).
Latitud y longitud en la que se encuentra el concentrador solar.
