Departamento de Control Automático
Título: Diseño del sistema de control de posición de Concentradores Solares de Canal Parabólico mediante accionamiento eléctrico.
Autor: Lianet Consuegra Morales
Tutores: Dr. C. José Rafael Abreu García Ing. Ariel Barreiros Albo
Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas
Facultad de Ingeniería Eléctrica
Departamento de Control Automático
TRABAJO DE DIPLOMA
Diseño del sistema de control de posición de Concentradores Solares de Canal Parabólico
mediante accionamiento eléctrico.
Autor: Lianet Consuegra Morales
Tutores: Dr. C. José Rafael Abreu García
Email: abreu@uclv.edu.cu ORCID: 0000-0002-8344-8796
Ing. Ariel Barreiros Albo
Email: abarreiros@uclv.edu.cu ORCID: 0000-0002-6238-069
Santa Clara 2021
"Año 63 de la Revolución"
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos estudios.
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PENSAMIENTO
El mundo que hemos creado es un proceso de nuestro pensamiento. No se puede cambiar sin cambiar nuestra forma de pensar.
Albert Einstein
DEDICATORIA
A mis padres y a mi hermana por estar siempre ahí para mí y hacer posible todo lo que me he propuesto en la vida.
A mi Tía por todo lo que ha hecho y sigue haciendo por mí y por ayudarme siempre que lo he necesitado.
A mi tutor Dr. José Rafael Abreu García por estar presente en todo momento, por su trato de amor y dedicación, por ser más que un profesor, ser un amigo, fuente de motivación y superación y no solo para este trabajo si no desde sus clases en el aula.
AGRADECIMIENTOS
A mis tutores Dr. José Rafael Abreu García e Ing. Ariel Barreiros Albo por haberme ayudado tanto en el desarrollo de este trabajo y estar siempre presentes en cada paso dado para la realización del mismo.
A mis padres y mi hermana porque sin su apoyo y amor nunca hubiera logrado llegar a ser lo que soy hoy.
A mis amigos de la universidad en especial a Yényffer, Keyla, Luis Angel, David Fernández, David Kairuz, Ángel Luis, Islay y Jorge, que más que amigos somos familia, con los que he compartido tanto y pasado momentos tan felices, por ser una parte fundamental en mi formación como ingeniera y como persona, por estar siempre presentes y ayudarme a superar cada obstáculo o momento difícil que se me ha presentado.
A mis amigas del cuarto de Telecomunicaciones 2018 por haberme ayudado tanto y estar siempre al tanto de lo que necesitara.
A mis profesores de la carrera por haber ayudado en mi formación como profesional y haber dado lo mejor de sí impartiendo cada una de sus clases.
A todos los que de una forma u otra me han ayudado o intervenido en la realización de este trabajo y a mi formación como ingeniera, a todos ellos,
Muchas Gracias
RESUMEN
La energía solar es una de las más importantes dentro de las energías renovables debido a su abundancia y sostenibilidad, lo cual ha generado un gran desarrollo en tecnologías destinadas a su obtención, que son cada vez más eficaces. La tecnología de colección termosolar para obtener una mayor captación de la energía solar requieren de un mecanismo de seguimiento para su uso, ya sea manual o automático. Este trabajo brinda una propuesta para el seguimiento solar automático en concentradores solares de canal parabólico, con el objetivo que estos absorban la mayor cantidad de energía solar posible en el día a partir del control de posición de sus reflectores para seguir fielmente la trayectoria solar. El posicionamiento de estos colectores se lleva a cabo mediante accionamiento eléctrico y utilizando como unidad de control y mando una Raspberry Pi. Se realiza la selección del motor-reductor y demás elementos que componen el sistema cumpliendo con los requisitos de la aplicación, la programación del sistema de control de posición que se implementa en la Raspberry Pi y también se ofrece seguridad a los colectores frente al viento. Finalmente se realizan y se muestran los resultados de las pruebas de simulación realizadas con la ayuda de la herramienta MATLAB, además de efectuarse un análisis económico y medioambiental que demuestran la fiabilidad del proyecto.
Palabras clave: Concentrador solar de canal parabólico, Sistemas de seguimiento, Accionamiento eléctrico, Energía solar, Raspberry Pi.
ABSTRACT
Solar energy is one of the most important within renewable energies due to its abundance and sustainability, which has generated a great development in technologies aimed at obtaining it, which are increasingly effective. Solar thermal collection technology to obtain a greater capture of solar energy requires a monitoring mechanism for its use, either manual or automatic. This work provides a proposal for automatic solar tracking in Parabolic Channel Solar Concentrators, with the objective that they absorb the greatest amount of solar energy possible in the day from the position control of their reflectors to faithfully follow the solar path. The positioning of these collectors is carried out by means of an electric drive and using a Raspberry Pi as a control and command unit. The selection is made of the motor-reducer and other elements that make up the system, complying with the requirements of the application, the programming of the position control system that is implemented in the Raspberry Pi and also offers security to the collectors against the wind. Finally, the results of the simulation tests carried out with the help of the MATLAB tool are carried out and shown, as well as an economic and environmental analysis that demonstrate the reliability of the project.
Key words: Parabolic Channel Solar Concentrator, Tracking Systems, Electric Drive, Solar Power, Raspberry Pi.
GLOSARIO DE SIGLAS Y TÉRMINOS
CCP: Concentrador solar de canal parabólico.
SPI: Interfaz periférica serial
GPIO: Entrada/Salida de propósito general I2C: Circuito interintegrado
UART: Transmisor-receptor asíncrono universal SSI: Interfaz serial síncrona
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ... i
DEDICATORIA ... ii
AGRADECIMIENTOS ... iii
RESUMEN ... iv
ABSTRACT ... v
GLOSARIO DE SIGLAS Y TÉRMINOS ... vi
TABLA DE CONTENIDOS ... vii
INTRODUCCIÓN ... 1
CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE SISTEMAS DE SEGUIMIETO SOLAR PARA CONCENTRADORES SOLARES DE CANAL PARABÓLICO. ... 5
1.1 Introducción ... 5
1.2 Energía solar. Definiciones fundamentales ... 5
1.2.1 Tipos de radiación solar. ... 5
1.2.2 Irradiancia ... 7
1.2.3 Insolación ... 7
1.2.4 Movimiento del Sol ... 8
1.2.5 Posición del Sol ... 8
1.2.6 Ángulo de seguimiento ... 13
1.2.7 Tiempo solar ... 14
1.3 Tecnologías para la obtención de energía solar. ... 15
1.4 Clasificación de los sistemas solares de concentración. ... 16
1.4.1 En función del aprovechamiento solar ... 16
1.4.2 En función de la temperatura del fluido ... 16
1.4.3 En función de la razón de concentración ... 17
1.5 Concentradores Solares de Canal Parabólico. ... 18
1.5.1 Componentes de los CCP ... 18
1.6 Sistemas de seguimiento solar. ... 20
1.6.1 Historia de los sistemas de seguimiento. ... 21
1.7 Estructura de los sistemas de seguimiento. ... 23
1.7.1 El algoritmo de seguimiento. ... 24
1.8 Estructura del sistema de seguimiento. ... 29
1.9 Consideraciones finales del capítulo. ... 30
CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE SEGUIMIENTO CON ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO ... 31
2.1 Introducción ... 31
2.2 Requerimientos del sistema de control de posición del colector. ... 31
2.3 El sistema de posicionamiento. Accionamiento eléctrico. ... 31
2.3.1 Selección de los elementos que componen el sistema ... 31
2.4 Elementos para el control. ... 33
2.4.1 Unidad controladora: Raspberry Pi ... 34
2.4.2 Reloj en tiempo real ... 35
2.4.3 Encoder Absoluto HMG 161 ... 37
2.4.4 LCD1602 ... 37
2.4.5 Convertidor de niveles de voltaje ... 38
2.4.6 Optoacoplador ... 39
2.4.7 Batería ... 39
2.5 Posición segura de los colectores frente al viento. ... 40
2.5.1 Análisis del clima en Villa Clara ... 41
2.5.2 Medición de velocidad y dirección del viento ... 43
2.5.3 Sistema de Seguridad de los colectores ... 45
2.6 Diagrama del sistema de control ... 46
2.7 Señal de mando y algoritmo de control ... 47
2.8 Consideraciones finales del capítulo ... 48
CAPÍTULO 3. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL CON ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO ... 49
3.1 Introducción ... 49
3.2 Validación del algoritmo y software de control empleado. ... 49
3.3 Análisis económico ... 55
3.4 Análisis medioambiental ... 57
3.5 Consideraciones finales del capítulo. ... 58
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 59 Referencias Bibliográficas ... 61 ANEXOS ... 66
INTRODUCCIÓN
La energía solar es uno de los recursos energéticos más limpios, no modifica el medio ambiente y sobre todo es gratuita. Esta energía es obtenida del Sol y según la radiación solar incidente en la Tierra puede ser aprovechada por su capacidad de calentar (energía solar térmica), o directamente por efecto fotoeléctrico (energía solar fotovoltaica). Además, es considerada el eje de cualquier programa de desarrollo sostenible serio [1],[2] y desde este punto de vista ofrece varias ventajas ya que permite la recuperación de tierras degradadas, el aumento de la independencia energética regional y nacional, así como la diversificación y seguridad del suministro energético y mejora de la calidad de los recursos hídricos.
Actualmente el consumo de energía se ha vuelto un factor básico para muchos aspectos de la actividad y el progreso humano [3]. Por consiguiente, la energía es indispensable para el avance de un país, tanto así que la tasa de consumo energético está muy relacionada con el grado de desarrollo económico. Por otro lado, los diversos acontecimientos a nivel mundial, tales como el calentamiento global, la contaminación, la escasez de recursos no renovables y la gran demanda energética también constituyen una razón por la cual las energías renovables, o verdes, están siendo muy demandadas [4], ya que su utilización no produce emisiones contaminantes para el medio ambiente y se obtienen a partir de fuentes naturales [5] que son virtualmente inagotables.
En Cuba históricamente la producción de energía eléctrica ha tenido como soporte principal la utilización de centrales termoeléctricas para satisfacer más del 80% de la electricidad total producida en el país [3]. En este sentido el uso de energías renovables como la solar constituyen una alternativa fiable para contribuir al ahorro en el consumo de combustibles y de energía eléctrica, además de ayudar en el cuidado del medio ambiente y por tanto crear un entorno más saludable.
La energía solar actualmente tiene promesas increíbles como energía renovable para satisfacer la demanda mundial de energía [6] .La energía solar absorbida por la Tierra en un año es aproximadamente 20 veces la energía almacenada en todas las reservas de combustibles fósiles en el mundo [3]. Según el 21º Estudio del World Energy Council [7], para el año 2100 el 70% de la energía consumida será de origen solar. Asimismo, el uso de
tecnologías para la obtención de energía solar presenta grandes potencialidades en nuestro país ya que varios autores coinciden que la intensidad de la radiación solar en Cuba, tiene un valor considerable, entre 900 𝑊/𝑚2 y 1000 𝑊/𝑚2, cuando incide perpendicularmente sobre una superficie. Esto representa un promedio aproximado de 400 𝑊/𝑚2 sobre la superficie de la tierra [8] , y más de 5 kWh al día por metro cuadrado como valor promedio anual.
La energía solar térmica ha conseguido actualmente un grado de madurez, tanto económica como técnicamente, siendo así buena opción para la producción de energía eléctrica. Dentro de esta estrategia de aprovechamiento solar se encuentran los Concentradores solares de canal parabólico (CCP) [2]. Estos poseen diversas alternativas de aplicación entre las cuales se encuentran satisfacer los requerimientos de calor de procesos de la industria química, papelera, textil y de alimentos ,en procesos como los de secado, esterilizado, limpieza, evaporación, producción de vapor, así como el acondicionamiento (calefacción y refrigeración) de naves industriales [9], evitando el uso de fuentes convencionales de energía y por tanto disminuyendo el impacto ambiental producido por el uso de estas últimas.
En nuestro país actualmente se fomenta el uso de las energías renovables, donde el aprovechamiento de la energía solar constituye una nueva línea de desarrollo. Una de las posibilidades más viables lo constituyen los captadores solares y la realización de un sistema de control de posición de sus reflectores para el seguimiento de la trayectoria solar traería consigo un mayor aprovechamiento de este recurso y por lo tanto contribuiría a una mejora desde el punto de vista económico y medioambiental.
Teniendo en cuenta lo anterior se plantea el siguiente problema científico:
¿Es posible diseñar un sistema de seguimiento para un colector cilíndrico parabólico utilizando componentes electrónicos a fin de optimizar la captación de energía térmica?
Objetivo general:
Diseñar el sistema de control de posición de un concentrador solar de canal parabólico para el seguimiento solar mediante accionamiento eléctrico.
Objetivos específicos:
Analizar los sistemas de seguimiento solar que existen, así como las partes que lo componen.
Determinar los requerimientos del sistema de control.
Diseñar el algoritmo de control de posición para el concentrador solar de canal parabólico.
Implementar el algoritmo de control de posición del colector en la plataforma Raspberry Pi.
Analizar el funcionamiento del sistema de control diseñado mediante simulación.
Para la realización exitosa de este trabajo y darles cumplimiento a los objetivos antes expuestos se establecen las siguientes tareas de investigación:
La realización de un estudio de la literatura acerca de los concentradores solares.
Definición de conceptos básicos.
El análisis de los diferentes sistemas de seguimiento solar empleados.
La selección del elemento motriz y el reductor necesarios para posicionar los concentradores.
El diseño del algoritmo de control para posicionar los colectores.
La implementación del sistema de control diseñado en la plataforma Raspberry Pi.
Realizar la simulación del sistema para comprobar que funcione correctamente.
La evaluación de la efectividad del sistema de control propuesto.
Este trabajo cuenta con la siguiente estructura:
INTRODUCCIÓN: Se deja definida la importancia y actualidad del tema, la necesidad de realizar el diseño de un sistema de control para el seguimiento solar en estos concentradores y se exponen los objetivos y el problema de la investigación.
CAPITULO I: Se dedicará a la caracterización de los diferentes tipos de sistemas de seguimiento solar que existen, la definición de conceptos básicos para la comprensión de estos, la explicación del funcionamiento de los concentradores solares de canal parabólico y los elementos que lo componen. También se realizará un estudio comparativo de las distintas
estrategias de control para el posicionamiento de colectores solares que se usan en la actualidad.
CAPITULO II: Se identifican los requerimientos del sistema de control y se describen las características de los componentes que lo integran. Se diseña el algoritmo de control que se implementa en la plataforma Raspberry Pi.
CAPITULO III: Se realizará la simulación del sistema de control diseñado mediante el software MATLAB para evaluar su funcionamiento y se expondrán los resultados de la investigación. Además, se realiza un análisis económico y medioambiental de la propuesta realizada.
Seguidos por las conclusiones, las recomendaciones y las referencias bibliográficas.
La Tesis consta de 60 páginas, con 9 tablas y 41 figuras incluidas, así como 12 anexos. Se revisaron 75 fuentes bibliográficas.
CAPÍTULO 1. ANÁLISIS DE SISTEMAS DE SEGUIMIETO SOLAR PARA CONCENTRADORES SOLARES DE CANAL PARABÓLICO.
1.1 Introducción
En este capítulo se explican los aspectos fundamentales de la energía solar, así como los parámetros y ángulos relacionados con el movimiento del Sol a lo largo del año. Además, se exponen las principales tecnologías existentes para la obtención de la energía solar. Se realiza un análisis más profundo en la tecnología de concentración termosolar, específicamente de los concentradores solares de canal parabólico. De estos se describen todas las partes, se explica la importancia de un sistema de seguimiento solar y se hace un recuento histórico de diferentes sistemas de seguimiento solar que han sido realizados hasta la actualidad. También se abordan los principales métodos de seguimiento solar existentes y se establece una comparación entre ellos.
1.2 Energía solar. Definiciones fundamentales
El Sol es una estrella que se halla a una temperatura media de 5.500 °C [10] y está constituido en su mayor parte por hidrógeno. La esfera solar tiene un diámetro de casi 1,4 millones de kilómetros [3], en otras palabras es 109 veces mayor que el diámetro de la Tierra.
La energía procedente del Sol se genera en su núcleo, como consecuencia de un proceso de fusión termonuclear durante el cual el hidrógeno se transforma en helio. En este proceso por cada segundo que transcurre, una masa aproximada de 4.4 millones de toneladas que irradia 3.96 x 1026 W se transforma en energía [11]. Esta energía se esparce radialmente en el espacio vacío y su intensidad disminuye con el cuadrado de la distancia.
1.2.1 Tipos de radiación solar.
A medida que la radiación solar atraviesa la atmósfera, empiezan a ocurrir una serie de fenómenos físicos que hacen que el valor de la irradiancia se reduzca [4] con respecto al recibido fuera de la atmósfera. De modo que la radiación tiende a ser transmitida, absorbida
_______________________________________________________________________6 e incluso reflejada por el efecto del vapor de agua, las nubes, el ozono y los aerosoles que existen en las distintas capas de la atmósfera [12], fenómeno que se conoce como dispersión.
Como resultado de lo anterior un objeto situado en la superficie terrestre recibirá los siguientes tipos de radiación:
Radiación directa: es la radiación solar que alcanza la superficie terrestre sin haber sufrido ningún cambio de dirección en su recorrido [13]. Esta radiación en días nublados es muy pequeña y provoca sombras.
Radiación difusa: es la radiación que llega a la superficie terrestre después de haber cambiado varias veces de dirección debido a los procesos de reflexión y difusión al cruzar la atmósfera. Mientras mayor sea la nubosidad mayor es la radiación difusa.
Radiación reflejada: es la parte de radiación que es reflejada por el terreno y otros elementos de la superficie terrestre y que puede ser reabsorbida por otros objetos. Al cociente entre la radiación reflejada y el incidente en la superficie terrestre se le llama radiación de albedo.
La radiación difusa en días claros puede llegar a significar el 10 – 15% y hasta un 95% en días nublados [13]. De forma general a lo largo del año la radiación difusa supone cerca de un tercio de la radiación total que llega la tierra. Se conoce como radiación total o global a la suma de la radiación directa, difusa y reflejada.
A la energía recibida por la Tierra [14] en la capa más externa de la atmósfera se le denomina Constante Solar y tiene un valor aproximado de 1368 J. La atenuación de la energía solar que entra en la atmósfera terrestre se resume de la siguiente forma:
Alrededor del 30% de la energía solar que entra es reflejada hacia el espacio exterior por el polvo suspendido, las nubes y los aerosoles.
Cerca del 14% de la energía restante 957.6 J es absorbida por el ozono en la estratósfera, el vapor de agua en la tropósfera, el polvo y los aerosoles.
Aproximadamente, el 7% de la energía restante 823.536 J es dispersada por difusión hacia el espacio exterior, llegando a la tierra una energía solar de 765.9 J.
Figura 1.1 Representación de los tipos de radiación, tomado de [12].
1.2.2 Irradiancia
Se conoce como irradiancia a la potencia de la radiación solar que se recoge en un instante dado sobre un captador de una superficie determinada [4] y se mide en unidades de W/m2. El valor de irradiancia dependerá del ángulo de incidencia “θ”,que es el ángulo formado entre la normal de la superficie y la dirección de propagación de la radiación [15]. De manera que, la irradiancia extraterrestre incidente sobre la superficie será:
𝐺𝑇 = 𝐺𝑛 𝑐𝑜𝑠θ (1.1) Donde 𝐺𝑇 representa la irradiancia sobre un plano con una inclinación cualquiera y 𝐺𝑛 es la irradiancia medida sobre un plano normal a la dirección de propagación de la radiación.
1.2.3 Insolación
La insolación se define como la cantidad de energía solar que incide en un lugar determinado en la superficie de la tierra [14]. Este corresponde al valor acumulado de la irradiancia en un tiempo dado. Si el tiempo se mide en horas (h), la insolación estará dada en Wh/m2. Por lo general este valor se reporta como una acumulación de energía que puede ser horaria, diaria, estacional o anual [4]. La cantidad de insolación que se recibe en la superficie de un captador
_______________________________________________________________________8 puede ser afectada principalmente por la orientación del captador, el ángulo de la superficie respecto a la horizontal y las condiciones climáticas.
1.2.4 Movimiento del Sol
Otro parámetro que afecta la incidencia de la radiación sobre un captador solar es el movimiento aparente del Sol a lo largo del día y a lo largo del año. Se le llama "aparente"
porque en realidad la Tierra es la que gira y no el Sol. La Tierra tiene dos tipos de movimientos: uno alrededor de su propio eje, el cual da lugar al día y la noche y el otro alrededor del Sol siguiendo una trayectoria elíptica [4]. En dicho movimiento la distancia promedio Tierra- Sol es de aproximadamente 149.46 x 106km (valor llamado una unidad astronómica U. A.) [11], este movimiento de traslación da lugar a las estaciones del año [4].
Sin embargo, a medida en que se presenta este movimiento, en realidad la distancia Tierra- Sol cambia día a día, siendo mínima el 3 de enero (perihelio) y máxima el 4 de julio (afelio) [11], tomando como referencia el hemisferio norte.
Figura 1.2 Movimiento de la tierra alrededor del Sol, tomado de [11]. 1.2.5 Posición del Sol
En la Tierra para determinar la posición de cualquier objeto [13] se recurre a la información que brindan los siguientes parámetros:
Longitud: es el arco del Ecuador comprendido entre el meridiano del lugar y el meridiano de Greenwich.
Latitud (): es el ángulo que se forma entre la vertical de un punto cualquiera de la Tierra y el plano del Ecuador. Considerándose positivo en el hemisferio Norte y negativo en el hemisferio Sur.
Así mismo la posición del Sol también puede ser determinada. Este en su trayectoria por el cielo describe un arco desde su salida (orto) hasta su puesta (ocaso) [12] y a mitad de este camino, es decir, en el mediodía solar, por definición, el Sol pasa por el meridiano local. Se denomina cenit al punto donde la vertical trazada desde una posición cualquiera en la superficie de la Tierra corta con la hipotética trayectoria de la esfera solar en el cielo.
La posición del Sol puede ser definida a partir de:
Coordenadas horarias: se rigen por la declinación, δs, y ángulo horario, ωs.
Coordenadas horizontales: se rigen por la altura solar, hs, y azimut, as.
Estas coordenadas definen el vector solar, que tiene como origen el observador y extremo el Sol.
Figura 1.3 Cambios en la posición del Sol en su recorrido en el cielo a lo largo del año.
_______________________________________________________________________10 Coordenadas horarias:
Al analizar el movimiento de rotación y traslación de la Tierra [11], se encuentra que su eje de rotación tiene una inclinación fija de aproximadamente 23,45° con respecto al plano de traslación alrededor del Sol.
La declinación (δ) define la posición angular del Sol al mediodía solar, es decir, en el momento en que el Sol está más alto en el cielo con relación al plano ecuatorial. Esta representa el índice de alejamiento que experimenta el sol hacia el norte o hacia el sur del Ecuador [16]. Debido a que este valor cambia a medida que transcurre el año este parámetro depende entonces del día del año y puede calcularse mediante la siguiente ecuación:
δ = 23.45 sen (360284+n
365 ) (1.2) Donde n corresponde al día del año, contado a partir del primero de enero.
Figura 1.4 Variación anual de la declinación del Sol, tomado de [11].
La declinación solar es cero el día que comienza la primavera y el día que comienza el otoño (equinoccios) [15], es máxima en el solsticio de verano (23.45°) y mínima en el solsticio de invierno (-23.45°), ( -23.45° ≤ δ ≤ 23.45°).
El ángulo horario () es el ángulo formado en el polo por la intersección entre el meridiano del observador y el meridiano del Sol. Se expresa en unidades de arco (grados) o en unidades de tiempo (horas) [11]; su conversión es: 1 hora = 15°.
=360
24 (𝑡 − 12) (1.3)
Coordenadas Horizontales:
La altura solar (hs) es la distancia angular entre el horizonte del observador y el Sol [11].
Este ángulo tiene su máximo al mediodía y es de 0 ° en el momento del amanecer y el atardecer [17]. Se puede calcular como se muestra a continuación:
hs = 𝑠𝑒𝑛−1 (cos 𝛿 cos cos + 𝑠𝑒𝑛𝛿 𝑠𝑒𝑛 ) (1.4) hs = 90 − θz (1.5) El azimut (𝑠) es la distancia angular, medida desde el sur del lugar del observador y la proyección sobre el horizonte del meridiano del Sol que pasa por el zenit del observador.
También puede ser entendido como la desviación de la proyección de la radiación directa del meridiano local (𝑠 se mide de Este a Oeste, por tanto, varía entre 0° ≤ 𝑠 ≤ 360°) [11]. Su valor puede ser obtenido [18] como sigue:
cos 𝑠 = cos ∗ sin 𝛿 − cos ∗ cos 𝛿 ∗ cos
𝑐𝑜𝑠 hs (1.6) S𝑖 >0 𝑒𝑛𝑡𝑜𝑛𝑐𝑒𝑠 𝑠= 360 °−𝑠
Siendo αs el ángulo de azimut y hs altura solar y ángulo horario.
El ángulo acimutal de la superficie (γ), es la desviación de la proyección en un plano horizontal de la normal a la superficie desde el meridiano local [19], con valor cero hacia el sur, negativo hacia el este y positivo hacia el oeste. -180° ≤ γ ≤ 180.
El ángulo zenital (θz) es el que se forma entre el zenit del observador y la posición del Sol [11], que vendría a ser el ángulo de incidencia [15] de los rayos solares sobre la superficie horizontal 0° ≤ θz≤ 90°.
_______________________________________________________________________12
Figura 1.5. Representación de los ángulos para determinar la posición solar.
Dirección del haz de radiación
El ángulo de incidencia 𝜃 es el que se forma entre la radiación del haz en una superficie y el plano normal a esa superficie [20]. Este variará a lo largo del día, al igual que en el transcurso del año e influirá en gran medida en el aprovechamiento solar de los colectores.
La relación geométrica [11] entre un plano con una orientación dada relativa a la Tierra y el haz de radiación solar, puede ser determinada a partir de la ecuación:
cos = senδ sen cos − senδ cos sen cos𝑎𝑠+ cosδ cos 𝑐𝑜𝑠 cos +
cosδ sen 𝑠𝑒𝑛 cos𝑎𝑠 cos + cosδ 𝑠𝑒𝑛 sen𝑎𝑠sen (1.7) Donde:
= ángulo entre el plano dado y la superficie horizontal 0° 180°
𝑎𝑠= ángulo azimutal solar.
= latitud.
= ángulo de incidencia formado por el haz de radiación sobre una superficie y la normal a la superficie.
= ángulo horario.
δ = declinación.
Para superficies horizontales, = 0°, el ángulo de incidencia es igual al ángulo de zenit del Sol [21] el cual puede calcularse como:
cos θz= senδ sen + cosδ cos cos (1.8) Para el caso concreto de los CCP [12], [22] se establecen dos relaciones para hallar el ángulo de incidencia, en dependencia de la orientación que estos posean:
Orientación Norte-Sur:
= arccos (𝑐𝑜𝑠 𝛿 ∗ √(cos ∗ 𝑐𝑜𝑠 + 𝑡𝑎𝑛𝛿 ∗ 𝑠𝑒𝑛)2+ 𝑠𝑒𝑛2)) (1.9)
o = arccos (√1 − 𝑐𝑜𝑠2ℎ𝑠 𝑐𝑜𝑠2𝑎𝑠 ) (1.10) Orientación Este-Oeste:
= arccos (√1 + 𝑐𝑜𝑠2𝛿 ∗ (𝑐𝑜𝑠2 − 1)) o (1.11) o = arccos (√1 − 𝑐𝑜𝑠2ℎ𝑠 𝑠𝑒𝑛2𝑎𝑠 ) (1.12)
Figura 1.6 Dirección del haz de radiación directa, tomado de [11].
1.2.6 Ángulo de seguimiento
Ángulo de rotación que permite, a partir de un mecanismo de seguimiento diseñado para ello, llevar el rayo central del Sol y el área normal de apertura del concentrador a un mismo plano [23]. Los concentradores solares de canal parabólicos normalmente usan un solo eje de
_______________________________________________________________________14 seguimiento, a continuación, se muestra la rotación de la superficie de apertura alrededor de un eje de seguimiento.
Figura 1.7 Ángulo de seguimiento,modificada tomada de [23].
La expresión matemática para determinar el ángulo de seguimiento (𝜌) en un colector solar de canal parabólico cambia según la orientación que este posea para realizar el seguimiento.
Así para una orientación Norte-Sur y un seguimiento Este-Oeste [22] resulta:
tan(𝜌) = −𝑠𝑒𝑛(𝑎𝑠)
tan(ℎ𝑠) (1.13) Y para una orientación Este-Oeste y un seguimiento Norte-Sur:
tan(𝜌) = 𝑐𝑜𝑠(𝑎𝑠)
tan(ℎ𝑠) (1.14)
1.2.7 Tiempo solar
El tiempo solar o tiempo solar verdadero es el tiempo basado en el movimiento angular aparente del Sol a través del cielo con respecto al mediodía solar en el momento en que cruza el meridiano del observador [24]. Este es utilizado en todas las relaciones de los ángulos del sol y no coincide con la hora del reloj local. Esto se debe a la diferencia entre la longitud del meridiano del observador y el meridiano en el cual se basa la hora local del país [23]. Por lo tanto, es necesario convertir la hora estándar a hora solar verdadera, como se muestra a continuación:
Hora solar-hora estandar=4 (L_st - L_loc) +E (1.20)
Donde L_st es el meridiano estándar de la zona horaria local, L_loc es la longitud de la ubicación en cuestión, y las longitudes están en grados oeste, es decir, 0◦ <L <360◦. E es la ecuación de tiempo (en minutos).
La ecuación del tiempo [16] está dada por la siguiente fórmula:
𝐸 = 9.87 sen 2𝐵 − 7.53 𝑐𝑜𝑠𝐵 − 1.5 sen 𝐵 (1.15) Conociendo que:
𝐵 =
(𝑛−81)360365 (1.16) Donde n representa el número del día del año, contado a partir del primero de enero.
Figura 1.8 Variación anual de la ecuación del tiempo, tomado de [11].
1.3 Tecnologías para la obtención de energía solar.
Para aprovechar el recurso solar, se han explotado principalmente dos tecnologías: los sistemas fotovoltaicos (FV) y de energía solar de concentración (CSP).
Tecnología solar fotovoltaica: esta tecnología convierte directamente la energía solar en electricidad a partir de una celda fotovoltaica, la cual está hecha de un material semiconductor [25]. Los sistemas fotovoltaicos se dividen en dos subgrupos:
_______________________________________________________________________16 fotovoltaica convencional, que aprovecha directamente la luz solar que recibe y la convierte en electricidad sin necesidad de otro elemento óptico. El otro es la fotovoltaica de concentración (CPV), que emplea un elemento óptico, por ejemplo un espejo [26]
para concentrar la luz solar en un pequeño receptor fotovoltaico.
Tecnología termosolar de concentración (CSP): esta tecnología emplea elementos ópticos para concentrar la luz solar en un área pequeña, donde se coloca un receptor térmico [26], con el objetivo de calentar el fluido ,que circula dentro del receptor, a altas temperaturas. Este calor se transforma primero en energía mecánica (por turbinas o motores) [25] y luego en electricidad (energía solar termoeléctrica).
1.4 Clasificación de los sistemas solares de concentración.
Existen varios tipos de colectores solares térmicos que, aunque básicamente tengan el mismo principio, tienen características diferentes. Por ello se pueden clasificar de muchas formas.
1.4.1 En función del aprovechamiento solar
Colectores “estacionarios”: este tipo de colectores se mantienen fijos todo el día y funcionan con energía solar global [27]. Estos se encuentran a un ángulo capaz de cubrir la declinación del Sol desde el solsticio de verano hasta el solsticio de invierno [14]. Dentro de esta clasificación se encuentran los colectores de tubos al vacío y de placa plana.
Colectores “seguidores”: son los colectores que necesitan un sistema de seguimiento solar para moverse según el recorrido del Sol a lo largo del día [27]. Dentro de este grupo se pueden encontrar los colectores con concentración [14], debido a que el área de absorción de estos es pequeña es necesario que estos sistemas estén perpendiculares al sol para así poder llegar a mayores temperaturas.
1.4.2 En función de la temperatura del fluido
Temperatura baja (30ºC – 100ºC): este rango se consigue con colectores planos.
Temperatura media (100ºC – 400ºC): estas se alcanzan con concentradores lineales o esféricos, y se incluyen los concentradores de canal parabólico.
Temperatura alta (400ºC–3000ºC): estas se alcanzan con los concentradores puntuales [27] como los de discos parabólicos y los campos de torre central.
1.4.3 En función de la razón de concentración
Los sistemas termosolares de concentración se caracterizan por el uso de dispositivos que direccionan la radiación solar incidente sobre una determinada superficie [23],[28], denominada concentrador. Este constituye el sistema óptico, y es la parte del colector que dirige la radiación sobre el receptor, superficie de menor tamaño donde la radiación es absorbida. Por tanto, el cociente del área de apertura del concentrador entre el área de absorción del receptor se denomina razón de concentración (C).
𝐶 =
Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑝𝑒𝑟𝑡𝑢𝑟𝑎Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑟𝑐𝑖ó𝑛 (1.17) Por tanto, atendiendo al factor de concentración se dividen en:
Sin concentración (C=1): Para las aplicaciones de baja temperatura se emplean siempre colectores sin concentración, donde C=1. Esto se debe a que su área de apertura es igual a la de absorción, es decir, todos los elementos del subsistema solar tienen el mismo emplazamiento físico [28]. Captan tanto la radiación directa como la difusa y no requieren un seguimiento de la trayectoria solar [20]. Aquí se destacan los colectores de placa plana [23] y los de tubos al vacío.
Con concentración, (C>1): Para poder alcanzar mayores temperaturas en un colector, es necesario modificar el sistema de captación, de forma que se aumente la concentración [28], de ahí que en estos dispositivos el área de apertura es mucho mayor que el área de absorción.
Atendiendo al factor de concentración [20] se pueden clasificar de la siguiente manera:
· Sistemas cilindro-parabólicos y sistemas Fresnel: C = 30-90
· Sistemas de torre de potencia (o de receptor central): C = 200-2000
· Discos parabólicos (o discos Stirling): C= 1000-5000
_______________________________________________________________________18 1.5 Concentradores Solares de Canal Parabólico.
Dentro de las tecnologías de concentración termosolar se encuentran los concentradores solares de canal parabólico (CCP). Dicha tecnología consiste en aprovechar la radiación del Sol y mediante espejos reflejarla en una línea focal, por la que se transfiere la energía térmica de la radiación solar, para poder obtener una alta temperatura y generar vapor [29],[30], mover una turbina y producir electricidad .
Estos concentradores solares basan su funcionamiento en seguimiento solar y en la concentración de los rayos solares en unos tubos receptores de alta eficiencia térmica localizados en la línea focal de los cilindros. Por estos tubos circula un fluido de trabajo, puede ser agua o algún tipo de aceite térmico [14], que pueden llegar a alcanzar una temperatura de 400°C. Por tanto, están englobados dentro de los colectores solares de media temperatura [27],[31]. Este sistema aprovecha la propiedad de las parábolas [32]: todo rayo que choque sobre la parábola será reflejado en dirección a un punto llamado foco.
Los CCP concentran la luz solar de 30 a 60 veces la intensidad normal en el absorbente, calentando el fluido de transferencia de calor a altas temperaturas [33]. Estos colectores centralizan alrededor del 99,95% de la radiación solar directa (por sus siglas en inglés DNI) [34], generándose normalmente 100 kW/𝑚2.
1.5.1 Componentes de los CCP
Superficie reflectante o Reflector:
Su misión es la de reflejar y concentrar sobre el receptor la radiación solar directa incidente sobre la superficie. A grandes rasgos es un espejo curvo que forma en una de sus dimensiones una parábola, concentrando así en su línea focal toda la radiación reflejada [27]. La superficie especular se consigue a base de películas de plata o aluminio depositadas sobre un soporte que le da rigidez [9]. Entre los materiales usados para la reflexión, encontramos plásticos, chapas metálicas o el más usado: vidrios sobre los que se deposita una capa de plata junto con un protector de base de cobre y pintura epoxi [27]. Los materiales reflectores solares, deben tener alta reflectividad [9], larga durabilidad y resistencia mecánica .
El tubo de absorción o Receptor:
Es el encargado de absorber y transformar la radiación solar en radiación térmica, de manera que por el fenómeno de conducción esta energía se transfiera al fluido circulante. Se encuentra ubicado en la línea focal del colector y sujeto a la estructura mediante unos brazos de soporte [12]. Puede estar formado por un solo tubo o por dos tubos concéntricos. En el último caso, el tubo interior es metálico y se caracteriza por tener elevada absorvidad (mayor del 90%) y baja emisividad. Por otro lado, el tubo exterior es de cristal y su función es la de reducir las pérdidas térmicas por convección del tubo metálico y protegerlo frente a condiciones climáticas desfavorables. Ambos tubos suelen llevar un tratamiento para incrementar la trasmisividad de la radiación solar [27]. El rendimiento del colector depende, en gran medida, de la calidad termodinámica del absorbente.
Figura 1.9 Absorbedor o tubo receptor de un CCP, tomado de [9].
Por dentro de estos tubos se hace pasar un fluido de transferencia de calor (HTF, por las siglas en inglés Heat Transfer Fluid), de preferencia es un aceite con un bajo punto de fusión y con un alto punto de ebullición [29], para mantenerlo en estado líquido durante el proceso.
El mecanismo de seguimiento:
El sistema del concentrador cilindro-parabólico aprovecha la radiación solar directa al máximo si existe un mecanismo de seguimiento solar automatizado que siga la trayectoria del Sol a lo largo del día [15]. El sistema de seguimiento solar consiste en un dispositivo que gira los reflectores cilindro parabólicos del colector alrededor de un eje de seguimiento.
_______________________________________________________________________20
Estructura o soporte metálico
El soporte metálico es el que le da la firmeza a los elementos que forman el CCP. Además de ejercer como interface entre los reflectores y las cimentaciones de hormigón que la soportan [9]. Estas estructuras son normalmente metálicas, aunque pueden ser construidos de hormigón como una sola pieza junto con las cimentaciones.
Figura 1.10 Elementos básicos de un CCP, tomado de [13].
1.6 Sistemas de seguimiento solar.
En el caso de los concentradores solares el objetivo que debe cumplir un seguidor solar es alinear permanentemente el eje de apuntamiento del sistema de concentración con el vector solar local , de manera que se produzca la mayor salida de potencia [35] y hacer que el captador aproveche la mayor parte de horas posibles de luz [32]. Por lo que con el fin de incrementar la cantidad de energía solar que llega al receptor [10], es necesario un sistema de seguimiento solar que pueda seguir la trayectoria del Sol durante el día con cierto nivel de certeza y a consecuencia de esto variar la posición del CCP.
El sistema de seguimiento debe tener la capacidad de regresar al colector a su posición de inicio para esperar al Sol en el amanecer, después de haber seguido la trayectoria de este a lo largo del día. Además, debe seguir al Sol independientemente del clima, siempre y cuando no se presenten rachas de viento fuertes que generen daños en los colectores y las partes que lo componen, por lo que el sistema de seguimiento también debe incluir un sistema de seguridad ante estos casos y llevar a los colectores a una posición segura
1.6.1 Historia de los sistemas de seguimiento.
El primer sistema de seguimiento fue presentado por Finster en 1962 [36]. Este sistema era mecánico y mostró muy poco aumento del rendimiento sobre sistemas fijos. Un año después, Saavedra [28] presentó una versión mejorada con una unidad de control automático y un pirheliómetro para medir la cantidad de radiación solar directa. Posteriormente McFee [37]
realiza un sistema de seguimiento solar automático, donde desarrolla un algoritmo para calcular la energía total absorbida en un punto central, empleando espejos para enfocar el Sol. Se ajusta la dirección de dichos espejos mediante la implementación de este algoritmo.
La comercialización de sistemas de seguimiento solar se inició a principios de 1980 tras la obra de Dorian y Nelson [28], quienes diseñaron un sistema solar automático que fue capaz de dirigir el colector al Sol durante todo el día. Este sistema contaba con un mecanismo de control para detectar la desalineación del colector con respecto a la posición del Sol. También se proporcionó un mecanismo de límite de temperatura para dirigir el colector lejos del Sol cuando su temperatura excedía la preestablecida. Más adelante, Semma e Imamura (1981) [37] presentan una alternativa de seguimiento usando un microprocesador para ajustar la posición de un panel fotovoltaico y apuntar al Sol en todo momento.
Por otro lado, en el 2013 Gama y otros [38] confeccionaron un sistema de seguimiento solar activo de un solo eje con orientación hacia el sur, siguiendo al Sol de Este a Oeste. Dicho sistema era controlado por un ordenador con puerto paralelo y una tarjeta electrónica fabricada a tal efecto. Además, proponen un nuevo sensor óptimo que detecta la posición del Sol de forma precisa y eficiente, dicho sensor contaba con dos fotorresistencias.
En el 2014 se plantea una propuesta de seguidor solar para un CCP utilizando la plataforma Arduino [39]. Dicha propuesta estaba constituida por un seguidor de sombra, que contaba con un dispositivo sombreador y dos celdas solares, una en cada extremo del mismo. Además, el sistema estaba constituido por un servomotor de corriente directa, acoplado al eje del colector mediante un sistema de poleas.
En el 2015 Julián flores [13] propone un diseño para controlar el movimiento de un CCP con un solo grado de libertad a partir de un sensor que mide los cambios transitorios de intensidad de la luz solar. Este sensor consistía en dos fotorresistencias que se utilizan para seguir la
_______________________________________________________________________22 trayectoria solar y para regresar el sistema a su posición inicial durante la noche. Se utilizaba un microcontrolador 16F877A que daba la señal a los motores para efectuar el movimiento.
En el 2016 Gaafar [40] propuso un sistema de seguimiento con dos grados de libertad (altitud y azimutal) y un seguimiento activo para un CCP. El sistema contaba con resistencias LDR para calcular la posición del sol y un microcontrolador ATMEGA32. Además, la unidad de control poseía una pantalla LCD, donde se podía seleccionar entre el modo manual, que permitía mover libremente el colector en todas las direcciones o el modo automático.
También se podía seleccionar entre seguimiento de dos ejes o un eje.
Ahlem Houcine [41] en el 2017 realizó una investigación acerca del seguimiento solar en CCP utilizando el método computacional Ray Tracing 3 Dimensions-4Rays (RT3D-4R). Este método tenía como objetivo investigar la distribución del flujo solar concentrado en el tubo absorbente del CCP y su eficiencia óptica utilizando coordenadas solares realistas y propiedades ópticas del sistema. También se simuló y comparó el flujo solar concentrado tanto para el seguimiento en un eje como para el sistema de seguimiento dual.
En junio del 2018 Wassilla Ajbar [9] propone un sistema de seguimiento para un CCP que estaría controlado por un software que recibiría señales de sensores que reaccionan a la luz.
Este sistema le daría la capacidad de estar perpendicular a la incidencia de la radiación durante 4 horas aprovechando la hora solar, pues se le dio un seguimiento de 30° hacia el Oeste y hacia el Este respectivamente, ya que el Sol se desplaza aproximadamente 15°/hora.
Para el sistema de control y adquisición de datos se utilizó LabVIEW. En ese mismo año Jiménez [24] diseñó un sistema de seguimiento solar para la operación de un arreglo de Colectores de Canal Parabólico orientados Norte-Sur con inclinación de 21°, reduciendo así el ángulo de incidencia (𝜃) y con ello obtener un incremento en la captación de rayos solares.
Dicho diseño contaba con un motor trifásico, acoplado a un arreglo de reductores de velocidad para la disminución de las RPM y el aumento del torque. Se empleó un seguimiento Este-Oeste horizontal cronológico, la orientación Norte-Sur ofrecía como ventaja que no se generara sombra entre los CCP conectados al sistema.
Por otro lado, José A. Carballo [42] realiza un nuevo enfoque a los sistemas de seguimiento solar convencionales ,basándose en el uso de técnicas de visión artificial para llevar a cabo
la tarea del seguimiento solar. Además, permitía calcular variables claves relacionadas con el seguimiento. Se hace uso de técnicas de visión por computadora relacionadas con la detección de objetos, basadas en el aprendizaje profundo mediante redes neuronales convolucionales (CNN) y se puede aplicar a cualquier tipo de sistema de colector solar.
En 2020 Calzadilla [37] plantea un sistema de control de posicionamiento solar para CCP que está constituido por un mecanismo de accionamiento hidráulico conformado por un motor hidráulico y un reductor de velocidad. Se utiliza como unidad controladora un Arduino UNO y una interfaz LCD para la presentación de los datos de funcionamiento del sistema de seguimiento. Se propone un seguimiento de la trayectoria solar de Este-Oeste y se usa la programación astronómica.
1.7 Estructura de los sistemas de seguimiento.
Un sistema de seguimiento está conformado básicamente por una parte fija y la otra móvil con el fin de aumentar la captación de la radiación solar [43]. El mecanismo principal del sistema de seguimiento solar consiste en el dispositivo de seguimiento [44], el algoritmo de seguimiento, la unidad de control, el sistema de posicionamiento, el mecanismo de conducción y el dispositivo de detección.
La unidad de control: Ejecuta el algoritmo de seguimiento [44], controla el sistema de posicionamiento y el mecanismo de conducción.
Los dispositivos de detección: Son un grupo de sensores que miden las condiciones ambientales como la intensidad de la luz en tiempo real, en caso de que se emplee ese tipo de algoritmo de seguimiento y el ángulo de inclinación del rastreador, en otros casos se prescinde de estos sensores y la posición del Sol se calcula de acuerdo a la latitud, longitud de la ubicación, así como la fecha y hora.
Mecanismo de conducción: Es responsable de mover el dispositivo de seguimiento a la posición determinada por el sistema de posicionamiento.
_______________________________________________________________________24
Sistema de posicionamiento: Es el encargado de operar el dispositivo de seguimiento para mirar al sol en los ángulos calculados [44] en caso de utilizarse la programación astronómica o bien de forma general es el que mueve el colector de acuerdo con la posición del Sol. Para efectuar el movimiento de los sistemas de seguimiento por lo general se distinguen dos tipos de accionamiento, uno de ellos es el eléctrico, que tiene su mayor campo de aplicación en el posicionamiento de colectores de un tamaño pequeño-mediano y el otro es el hidráulico [12], que se emplea para el movimiento de colectores de mayor tamaño.
Figura 1.11 Mecanismos de posicionamiento: accionamiento hidráulico y accionamiento eléctrico respectivamente , tomado de [12]
Además de los mencionados anteriormente ,también se pueden encontrar accionamientos mecánicos [27] (reloj de pesas). Por otro lado, un solo mecanismo de accionamiento debe ser capaz de mover y operar conjuntamente varios CCP conectados en serie [12], con el objetivo de disminuir el costo y facilitar la construcción de estos colectores solares.
1.7.1 El algoritmo de seguimiento.
Existen diversos métodos para el seguimiento del Sol y se pueden clasificar de acuerdo a varios aspectos.
Seguidor solar según el algoritmo de seguimiento:
Seguimiento por sensores: determinan la posición del Sol por medio de sensores que detectan la presencia de radiación solar, los más frecuentes son los fotorresistivos, los cuales varían el valor resistivo dependiendo de la cantidad de luz que capten [43]. Por ejemplo si los rayos del Sol no son perpendiculares al sistema de seguimiento [45], se genera una diferencia en la intensidad de la luz percibida por un sensor en comparación con otro, lo cual hace que el sistema corriga su posición .
Seguimiento por reloj solar: está sujeto al tiempo que comprende un día (24 horas), presentando un movimiento efectivo de 12 horas y no considera cambios climáticos repentinos [43]. Es un sistema de seguimiento en el que la estructura se mueve a una velocidad y un ángulo fijos a lo largo del día y durante diferentes meses [6]. Por tanto, el motor o actuador se controla para que gire a una velocidad media lenta de una revolución por día (15 ° por hora).
Seguimiento por coordenadas calculadas: este sigue la trayectoria del Sol entre cada posición mediante el cálculo de sus coordenadas astronómicas [43]. Como consecuencia, el modelo de cálculo del sistema y la configuración inicial son realmente críticos para obtener una estimación precisa, ya que cualquier pequeño error en el modelo y en el cálculo se acumulará sin ninguna corrección [46]. Estos sistemas son inmunes a los días nublados o cualquier otra circunstancia que pueda producir errores en el seguimiento [43], como, por ejemplo: los destellos y tormentas. Este sistema es de gran precisión.
Estrategias de Control:
Lazo cerrado: los sistemas de seguimiento que utilizan esta variante se basan en la retroalimentación transferida desde sensores [13] capaces de proporcionar información acerca de la posición solar con respecto al plano terrestre.
Lazo abierto: este tipo de control basa su funcionamiento en la estimación de sus entradas usando solo el estado actual y un algoritmo de computadora, para determinar si sus entradas han logrado el objetivo deseado [13],[47]. Este control carece de
_______________________________________________________________________26 retroalimentación en el sistema, debido a que no existe sensor alguno que proporcione información para corregir el seguimiento solar.
Seguidor solar según el tipo de movimiento:
Seguidores de doble eje: estos seguidores tienen dos grados de libertad que actúan como ejes de rotación, los cuales son típicamente normales entre sí. El eje primario es el que está fijo con respecto al suelo y el secundario está referenciado al primario [48]. Este sistema de seguimiento puede cambiar los grados de altitud y azimutal del sistema de captación solar, por lo que sigue el Sol en direcciones de Este a Oeste y de Norte a Sur para maximizar la producción de energía [49], realizando un seguimiento total del Sol. Aunque el rendimiento de la instalación puede ser superior en comparación con los seguidores con un solo eje [16], tienen un costo más elevado
Figura 1.12 Seguidores de doble eje, el CCP a la derecha , tomado de [14], [45].
Seguidores de un eje: son los seguidores más simples, por lo general utilizan menos energía y tienen una complejidad menor respecto a los de doble eje [6]. Poseen solo un grado de libertad por lo que la rotación de la superficie de captación se hace sobre un solo eje. La limitación de este tipo de seguidor es que no puede realizar un seguimiento completo del Sol ya que solo puede seguir ,por ejemplo la azimut o la inclinación solar [16], pero no ambas .
Figura 1.13 Sistema de seguimiento solar con un eje de movimiento, tomado de [13].
Figura 1.14 Modos de seguimiento para un CCP con solo eje de rotación: (a) Orientación de Este a Oeste con seguimiento de Norte a Sur ,(b) Orientación de Norte a Sur con seguimiento de Este a Oeste, (c) Seguimiento
del eje polar tomado de [2],[45].
Comparación entre los sistemas de seguimiento:
Los CCP se utilizan principalmente con un esquema de seguimiento de un solo eje ,pues este es mecánicamente más sencillo e implica menores costos y menores pérdidas térmicas por no haber tuberías pasivas [27]. Por lo general los colectores pueden ser orientados de dos formas: de Este a Oeste, de tal modo que sigue al Sol de Norte a Sur o bien [39], en orientación de Norte a Sur donde el colector sigue al Sol de Este a Oeste.
En el momento de elegir cual orientación resulta mejor se hace notar que el seguimiento en un eje con orientación de Este a Oeste requiere de un menor ajuste. Sin embargo, a pesar de tener la abertura siempre frente al Sol al mediodía este sistema de seguimiento solar presenta un rendimiento mucho menor durante la mañana y la tarde [37], debido al incremento en el
_______________________________________________________________________28 ángulo de incidencia. Los CCP orientados de Este a Oeste [39] recolectan mayor energía solar en los periodos de invierno. Haciendo un análisis más profundo a continuación se muestra una tabla que presenta una comparación de la energía solar captada mediante la utilización de los diferentes métodos de seguimiento solar [37] para CCP.
Figura 1.15 Comparación de la energía solar captada por diferentes métodos de seguimiento, tomado de [37].
Además de lo anterior, según un estudio hecho por Ricardo Vasquez Padilla [22] donde se analiza el comportamiento de la radiación solar en las regiones de Tampa y Daggett en Estados Unidos , esto se muestra en la figura 1.16, se reafirma parte de la información de la tabla anterior. Resulta que los CCP utilizando un solo eje de seguimiento y orientados de Norte a Sur con seguimiento de la trayectoria solar de Este a Oeste tienen un mayor nivel de captación solar anual con respecto a los orientados de Este a Oeste con seguimiento de la trayectoria solar de Norte a Sur.
Figura 1.16 Comparación de la radiación total anual captada para diferentes ejes de seguimiento, orientación de Norte a Sur (izquierda), orientación de Este a Oeste (derecha), tomado de [22].
Sin embargo, se aclara que los captadores orientados de Norte a Sur y seguimiento de Este a Oeste presentan una menor eficiencia en la captación durante el mediodía solar [37] con respecto a los orientados de Este a Oeste, y contrario a estos últimos [39] colectan mucha energía en el verano y poca en el invierno.
Los colectores pueden estar orientados de Este a Oeste con seguimiento de la trayectoria solar de Norte a Sur en los períodos de invierno u orientación de Norte a Sur con seguimiento de la trayectoria solar de Este a Oeste en los períodos de verano [50]. Esta estrategia de seguimiento conduce a una explotación óptima de las irradiaciones solares incidentes.
Por otro lado, el método de seguimiento solar con programación astronómica resulta el mejor de los presentados ya que posee total independencia de las condiciones climáticas. Su algoritmo no requiere de sensores que indiquen cual es el punto más luminoso y su precisión en el seguimiento solo depende de la exactitud de los cálculos que se realizaron para su funcionamiento. Además, disminuye el costo del seguidor de Sol ya que se obvia el uso de sensores como las fotorresistencias [51]. Los sistemas de seguimiento basados en sensores presentan una mala precisión cuando el día está nublado [6], ya que en esos casos no pueden percibir la luz solar con exactitud y esto provoca errores en el seguimiento. Además, la suciedad acumulada en los sensores también podría provocar dificultades en el seguimiento.
1.8 Estructura del sistema de seguimiento.
A partir del análisis realizado a lo largo de este capítulo se llega a la confección y diseño del sistema de seguimiento para esta aplicación, el cual estará constituido por un solo eje de movimiento, siguiendo la trayectoria del Sol en el cielo de Norte a Sur, en otras palabras, siguiendo su altura, por tanto, los colectores se encontrarán orientados de Este a Oeste. Se elige como método de seguimiento la programación astronómica, por lo que será necesario contar con la hora y datos del día precisos.
El posicionamiento de los colectores se realizará mediante accionamiento eléctrico y el control mediante una microcomputadora Raspberry Pi. También se necesitará un anemómetro y una veleta para garantizar la seguridad en el funcionamiento de los colectores
_______________________________________________________________________30 ante fuertes rachas de viento, todo esto se explicará a grandes rasgos en el siguiente capítulo, donde, además se realiza la selección de todos los elementos que componen el sistema.
Los elementos básicos que componen el sistema son: motor, unidad controldora: Raspberry Pi, reloj, sensor de posiciónamiento, anemómetro, veleta y una LCD para mostrar datos.
Figura 1.16 Arquitectura del sistema de seguimiento propuesto, elaborado por la autora.
1.9 Consideraciones finales del capítulo.
La implementación de un sistema de seguimiento solar para CCP aumenta claramente la eficiencia de estos pues permite que se encuentren en la posición correcta con respecto al Sol para captar la mayor cantidad de energía posible durante el día.
Tras el análisis hecho a las diferentes estrategias de seguimiento se elige para el desarrollo de este trabajo el método de seguimiento con programación astronómica, ya que ofrece las mayores ventajas. Dicho seguimiento se hace utilizando un solo eje de rotación.
La correcta determinación de los ángulos para el seguimiento solar con programación astronómica, repercuten de manera decisiva en el desempeño del sistema de seguimiento.
La orientación de los colectores será de Este a Oeste efectuando un seguimiento solar de Norte a Sur, propiciando un mayor nivel de concentarción de la luz solar en los CCP durante el mediodía solar.
CAPÍTULO 2. ESTRUCTURA DEL SISTEMA DE SEGUIMIENTO CON ACCIONAMIENTO ELÉCTRICO
2.1 Introducción
En este capítulo se identifican los requerimientos del sistema de control y describen los elementos que componen el mismo. Se presenta el diseño de dicho sistema, su estructura y explicación de su funcionamiento. Además, se diseña el algoritmo de control que se implementará en la plataforma Raspberry Pi.
2.2 Requerimientos del sistema de control de posición del colector.
El sistema de seguimiento que se propone está controlado por un algoritmo de programación que a base de cálculos astronómicos determina la posición del Sol a lo largo del día, a partir de la cual se realiza dicho seguimiento. Este sistema está compuesto, como se explicaba en el capítulo anterior, por un sistema de posicionamiento, una unidad de control con sus respectivos accesorios y elementos para la medición de las variables necesarias para dicho control.
Se desea controlar la posición de dos concentradores solares de canal parabólico de 12m de longitud y 2.5m de diámetro, para poder mover dichos colectores es necesario que el sistema de posicionamiento sea capaz de desarrollar un momento de 800Nm.
2.3 El sistema de posicionamiento. Accionamiento eléctrico.
El sistema de posicionamiento está constituido por un motor-reductor acoplado al eje del CCP con el fin de efectuar el movimiento de este al seguir la trayectoria solar, dicho movimiento será ejecutado según las órdenes recibidas de la placa controladora del sistema.
2.3.1 Selección de los elementos que componen el sistema
El movimiento del Sol por el cielo es muy lento de manera que los sitemas de seguimiento se caracterizan por desarrollar velocidades pequeñas. Así conociendo que los motores
_______________________________________________________________________32 eléctricos por lo general poseen valores de velocidad de alrededor de 1750 y 2000 rpm, salta a ver que, un motor eléctrico por sí solo no lograría una velocidad de movimiento tan lenta con un par adecuado como para impulsar el seguimiento solar [52]. Por tanto, es necesario un sistema de transmisión por engranajes para reducir la velocidad del motor.
Por lo general, el seguimiento solar utiliza un sistema de transmisión con una relación de transmisión entre 10,000: 1 y 30,000: 1, de esta forma, el movimiento de rotación del seguidor solar es normalmente más rápido que la velocidad de movimiento de rotación del Sol. Es por esto que se utilizan sistemas de control de seguimiento solar de tipo encendido / apagado para sincronizar el movimiento de rotación angular del seguidor solar en el suelo con el movimiento del sol en el cielo. Conociendo esto se prosigue a la selección del motor- reductor que se utiizará para esta aplicación:
Motor-reductor.
Con el fin de cumplir las exigencias del sistema de seguimiento y luego de la revisión de varios catálogos se elige este motor-reductor fabricado por SEW-EURODRIVE modelo S77R37DR63S4/TF. Este motorreductor trae incluido un arrancador MOVI-SWITCH S2, para accionar el giro del motor, posee dos direcciones de rotación y utiliza un control binario empleando una señal de control de 24Vcc. En la tabla 2.1 se describen las características de este motor-reductor.
Figura 2.3 Motorreductor S77R37DR63S4/TF, tomado de [53]
Tabla 2.1 Características del dispositivo: Motorreductor S77R37DR63S4/TF/EH1R
Características Valores
Rango de velocidad 1680 1/min
Velocidad de salida 0.1 1/min
Número de polos 4
Torque 1000Nm
Voltaje 220/380 V
Potencia 0.12kW
Relación de engranes 17013:1
Rango de corriente 0.71/0.41 A
Clase internacional de
eficiencia IE1( eficiencia estándar)
Frecuencia 60Hz
Factor de servicio S1-100%
Dimensiones del eje 50x1000mm
Superficie de protección
OS2( puede trabajar en lugares donde exista humedad, y para aplicaciones sujetas a gran
desgaste)
Clase térmica B
Protección IP65
Peso 62kg
2.4 Elementos para el control.
A continuación, se presentan los elementos seleccionados para el sistema de control comenzando por la placa controladora y luego los dispositivos necesarios para llevar a cabo el algoritmo de posicionamiento, así como unidades de visualización, para el conexionado y comunicación.
