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Juan David Espinosa Alfonso
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS
IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR A PROTOTIPO GENERADOR DE AGUA AUTOSOSTENIBLE
Implementación de un Seguidor Solar a Prototipo
Generador de Agua Autosostenible
Juan David Espinosa Alfonso
20122073020
Director
Ing. Msc Enrique Yamid Garzón Gonzales
Trabajo de grado para optar por el título de Tecnólogo en Electrónica
Bogotá D.C, Colombia
2018
HOJA DE ACEPTACIÓN
Implementación de un Seguidor Solar a Prototipo Generador de Agua Autosostenible
Observaciones
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Director del Proyecto
Ing. Mcs. Enrique Yamid Garzón
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Jurado 1
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Jurado 2
Resumen
El presente artículo discute el diseño e implementación de un seguidor solar horizontal de
un solo eje, determinado a partir de un mecanismo de movimiento lineal y controlado
mediante un sistema que rastrea la posición exacta del Sol al usar información simple como
la latitud, longitud y hora local de donde se encuentre el panel, obteniendo el ángulo de
elevación solar y posteriormente orientar la inclinación del panel solar. La energía solar
obtenida de este seguidor puede usarse posteriormente para encender un sistema de
generación de agua, especialmente cuando este prototipo este implementado en ubicaciones
remotas, dando una mayor eficiencia energética y autonomía al prototipo, teniendo en
cuenta las limitaciones mecánicas y las condiciones ambientales que influyen en el panel
solar y por tanto en el almacenamiento de energía.
Palabras clave: Angulo de elevación solar, actuador lineal, seguidor solar, perpendicular.
Abstract
In this paper discusses the design and implementation of a single-axis horizontal solar
tracker, determined from a linear motion mechanism and controlled by a system that tracks
the exact position of the Sun when using simple information such as latitude, longitude and
time. Where the panel is located, obtaining the solar elevation angle and then orienting the
inclination of the solar panel. The solar energy obtained from this follower can be used later
to turn on a water generation system, especially when this prototype is implemented in
remote locations, giving greater energy efficiency and autonomy to the prototype, taking
into account the mechanical limitations and the environmental conditions that they
influence the solar panel and therefore the energy storage.
Key Words: Solar elevation angle, linear actuator, solar tracker, perpendicular.
Contenido
1. Introducción
2. Objetivos
2.1. General
2.2. Específicos
3. Marco conceptual
3.1. Relaciones Astronómicas Sol – Tierra
3.1.1. Año Tropical
3.1.2. Días del Año
3.1.3. Posición angular de la Tierra en la órbita
3.1.4. Meridiano
3.1.5. Longitud
3.1.6. Latitud
3.1.7. Zona Horaria
3.1.8. Desplazamiento de tiempo
3.1.9. Tiempo Solar Verdadero
3.1.10. Tiempo Solar Medio
3.1.11. Ecuación del Tiempo
3.1.12. Declinación Solar
3.1.13. Hora angular
3.1.14. Movimiento diurno
3.1.15. Angulo Cenital
3.1.16. Angulo Azimut
4. Elementos Básicos de la Energía Solar
4.1. Panel Solar
4.2. Batería
4.3. Regulador de Carga
5. Definición de las Condiciones Ambientales
5.1. Consideraciones ambientales para el panel solar
5.1.1. Temperatura Ambiente
5.1.2. Sombra Orográfica
5.1.3. Brillo e Irradiación Solar
5.2. Consideraciones ambientales para el prototipo
5.2.1. Consideraciones Indirectas o con poca probabilidad
5.2.1.1. Lluvias Torrenciales y Tormentas Eléctricas
5.2.1.2. Vientos Fuertes
5.2.1.3. Polvo y Suciedad
5.2.2. Consideraciones Directas o que inciden sobre la potencia
5.2.2.1. La Noche
5.2.2.2. La Fricción
5.2.2.3. El Peso
5.2.2.4. La Inercia
6. Diseño Mecánico
6.1. Diseño Base y Soporte
6.2. Selección del actuador
6.3. Libertad de Movimiento y Limitaciones
7. Control del Seguidor Solar
7.1. SunEarthTools.com
7.2. Diseño de programación
7.3. Diagrama Circuital
7.4. Angulo de Elevación y GPS
7.5. Implementación Codificador de cuadratura Rotacional
7.6. Etapa de Potencia
7.7. Otras Consideraciones
7.8. Voltímetro
7.9. Amperímetro
8. Resultados
8.1. Comparación del control angular
8.2. Comparación de energía generada
8.3. Comparación de Temperatura
8.4. Eficiencia de trabajo del panel solar
8.5. Rendimiento Seguidor Solar
Conclusiones
Agradecimientos
Referencias
Índice de figuras
Figura 1 Variación de la Ecuación de Tiempo en el año
Figura 2 Angulo Declinación Solar
Figura 3 Variación de la declinación en el año
Figura 4 Movimiento aparente del sol en el transcurso del día
Figura 5 Angulo de elevación y azimut
Figura 6. Comportamiento celda fotovoltaica
Figura 7. Modelo Circuital celda fotovoltaica
Figura 8. Tipos de panel solar fotovoltaico
Figura 9. Hoja Característica Panel Solar
Figura 10. Batería Panel Solar MS12V100C
Figura 11. Controlador de carga Panel Solar
Figura 12. Representación circuital de un regulador de carga PWM [8]
Figura 13. Curva I vs V [10]
Figura 14. Distribución de Temperatura en Colombia [11]
Figura 15. Temperatura de Bogotá D.C [11]
Figura 16. Distribución de Precipitaciones en Colombia [11]
Figura 17. Registro Histórico Precipitaciones Bogotá 1972-2016 [12]
Figura 18. Precipitaciones en Bogotá D.C [11]
Figura 19. Brillo Solar en Colombia [11]
Figura 20. Registro Histórico Brillo Solar Bogotá 1972-2016
Figura 21. Irradiación solar en Colombia [4]
Figura 22. Irradiación solar promedio en Bogotá 2017
Figura 23. Descripción movimiento seguidor
Figura 24. Base y soporte Panel solar
Figura 25. Mecanismo Actuador lineal
Figura 26. Características de Corriente y fuerza del actuador según su fabricante
Figura 27. Ensamblaje actuador a la base
Figura 28. Diseño de piezas en FreeCAD
Figura 29. Pieza impresa
Figura 30. SunEarthTools.com [5]
Figura 31. Angulo de Elevación vs tiempo en marzo según SunEarthTools.com
Figura 32. Diagrama de flujo
Figura 33. Esquema Circuital Seguidor Solar
Figura 34. Módulo GPS NEO6M
Figura 35. Angulo de Elevación Calculado
Figura 36. Codificador rotacional ky40
Figura 37. Canales del codificador rotacional
Figura 38. Acople codificador rotacional ky40 al soporte del panel
Figura 39. Controlador PWM 10A
Figura 40. Conexión módulo relé – Controlador de velocidad
Figura 41. Divisor de Voltaje
Figura 42. Sensor de corriente ACS712
Figura 43. Seguidor Solar Terminado
Figura 44. Comparación de Angulo de Elevación (4 de Abril de 2018)
Figura 45. Comparación de Angulo de Encoder con ángulo de Control (4 de Abril de
2018)
Figura 46. Comparación de Voltaje (V) del panel fijo y el seguidor solar (3-4 de Abril de
2018)
Figura 47. Comparación de Corriente (A) del panel fijo y el seguidor solar (3-4 de Abril
de 2018)
Figura 48. Comparación de Voltaje del panel fijo y el seguidor (25-26 de Abril de 2018)
Figura 49. Comparación de Corriente del panel fijo y el seguidor solar (25-26 de Abril de
2018)
1. Introducción
Hoy en día el planeta está comenzando a sufrir las consecuencias del calentamiento global,
debido al uso e implementación de energías basadas en petróleo y carbón que son altamente
contaminantes. En consecuencia, a esta problemática muchos países han empezado a
implementar energías alternativas a diversas tecnologías, en su mayor parte energía solar
debido a que es el sistema más asequible, sin embargo, este tipo de energías dependen de
mecanismos que permitan obtener energía de manera óptima, reduciendo todo tipo de
efectos negativos en el medio ambiente. Dentro de estos mecanismos encontramos
seguidores solares de un eje de rotación que producen entre un 20 a 30% más de energía en
comparación a un panel solar fijo dependiendo su diseño, y seguidores solares de doble eje
de rotación, que produce de un 25 a 40% más de energía en comparación a un panel fijo
dependiendo su diseño. Estos seguidores pueden ser programados a partir de sensores de
luz LDR o por posición angular del sol, sin embargo los sistemas programados por posición
angular del sol suelen ser más eficientes ya que se trabajan con parámetros más específicos
dependiendo su ubicación y no se ven tan limitados por las sombras en comparación a los
sistemas programados por sensores LDR [1].
Actualmente el grupo de investigación DIGITI en la Facultad Tecnológica de la
Universidad Francisco José de Caldas ha propuesto un Prototipo Generador de Agua
Autosostenible, basado en 6 celdas de Peltier a partir de energía solar. Sin embargo, se
observaron inconvenientes en el prototipo con respecto al sistema de alimentación basada
en un panel solar de posición fija, ya que el consumo de las 6 celdas de Peltier era solo de 2
Horas, perjudicando la autonomía que se desea en el prototipo, es decir, limitantes en el
prototipo principalmente al consumo y la necesidad de obtener suficiente energía para que
el sistema sea lo más autónomo posible [2]. Teniendo en cuenta lo anterior, el propósito de
este proyecto es diseñar e implementar un sistema capaz de orientar un panel solar, con el
fin de obtener una mayor eficiencia en el panel solar y así generar más energía, con el fin
de contribuir y dar una solución factible a la problemática expuesta e implementarse
posteriormente en pruebas futuras para encender el sistema de generación de agua durante
un periodo de tiempo más largo, especialmente cuando este prototipo este implementado en
ubicaciones remotas, dando una mayor eficiencia energética y autonomía al prototipo.
2. Objetivos
2.1. General
Diseñar e implementar un sistema capaz de orientar un panel solar para alimentar
energéticamente el prototipo generador de agua autosostenible.
2.2. Específicos. Definir las condiciones ambientales para el almacenamiento de energía, que permita
una mayor eficiencia en el prototipo generador de agua autosostenible.
Diseñar un sistema mecánico activado mediante un actuador, que permita orientar el
movimiento del panel solar.
Implementar un sistema autónomo que haga seguimiento angular de la posición del
sol.
3. Marco Conceptual
Partiendo de la información brindada por el IDEAM (Instituto de Hidrología, Meteorología
y Estudios Ambientales) e información complementaria, y teniendo en cuenta la revisión
previa de este trabajo se decide definir la base de este seguidor solar por medio de las
siguientes consideraciones.
3.1. Relaciones Astronómicas Sol – Tierra
La generación de energía solar depende de las variaciones en la distancia Tierra-Sol en el
transcurso del año como consecuencia de la órbita elíptica terrestre. A continuación se
mencionan de manera progresiva los parámetros que se tienen en cuenta para la predicción
o determinar la posición del sol con respecto a algún punto de la tierra.
3.1.1. Año Tropical
Se refiere al tiempo preciso para aumentar la longitud media del Sol en 360 grados sobre la
eclíptica; es decir, en completar una vuelta. Su duración es de 365,242189 días de tiempo
solar medio (365 días 5 h 48 m 45,10 s).
3.1.2. Días del Año
Como su nombre lo indica, es el número de días que han transcurrido en el año. Esta
expresada mediante la ecuación
𝐷𝑡𝑎 = (𝐴𝑎 − 𝐴𝑖) (𝐴𝑡) + (𝐷𝑎 − 𝐷𝑖) + ((𝑀𝑎 − 𝑀𝑖) (𝐴𝑡 / 12.0)) (1)
3.1.3. Posición angular de la Tierra en la órbita
Es el ángulo de desviación diaria de la tierra con respecto al número de días que han
transcurrido en el año. Esta expresada por la ecuación
𝐴𝑑𝑑 = 2𝜋 (𝐷𝑡𝑎 − 1.0)
365 (2)
3.1.4. Meridiano
Son las semicircunferencias máximas imaginarias del globo terrestre que pasan por los
Polos Norte y Sur. Por extensión, son también las semicircunferencias máximas que pasan
por los polos de cualquier esfera o esferoide, por lo general se toma como un punto de
referencia.
3.1.5. Longitud
Expresa la distancia angular entre un punto dado de la superficie terrestre y el meridiano
que se toma como 0°.
3.1.6. Latitud
Es la distancia angular entre la línea ecuatorial (el ecuador), y un punto determinado de la
Tierra, medida a lo largo del meridiano en el que se encuentra dicho punto.
3.1.7. Zona Horaria
Está basada en la diferencia entre longitud y el horario UTC (Coordinated Universal Time),
con incrementos de 15 grados por hora [3]. Está basada en la siguiente ecuación
𝑻𝒛 = 𝒍𝒐𝒏−𝑼𝑻𝑪
𝟏𝟓 (3)
3.1.8. Desplazamiento de tiempo
Esta expresado en minutos y determina un tiempo de desfase. Esta expresado por la
ecuación
𝑇𝑜 = 𝐸𝑇 − 4𝑙𝑜𝑛 + 60𝑇𝑧 (4)
Donde ET es la ecuación del tiempo
3.1.9. Tiempo Solar Verdadero
Es el tiempo real que determina el Sol a su paso sobre un meridiano. Esta dada por la
ecuación
𝑇𝑠𝑡 = 𝐻𝑜𝑟𝑎 ∗ 60 + 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 +𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠
60+ 𝑇𝑜 (5)
3.1.10. Tiempo Solar Medio
Para eliminar las desigualdades del tiempo transcurrido entre los dos pasos sucesivos del
Sol por un mismo meridiano, se definió el tiempo solar medio, imaginando un sol ficticio
que gire a velocidad constante y en forma circular alrededor de la tierra, de modo que la
duración de los días permanezca constante durante todo el año.
3.1.11. Ecuación del Tiempo
Es la diferencia de tiempo entre el tiempo solar verdadero y el tiempo solar medio, el cual
varía diariamente en un intervalo pequeño entre -14 y 16 minutos.
Figura 1. Variación de la Ecuación de Tiempo en el año [4]
Está determinada por la siguiente ecuación
𝐸𝑇 = (0.000075 + 0.001868𝑐𝑜𝑠(𝐴𝑑𝑑) − 0.032077𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑑𝑑) − 0.014615𝑐𝑜𝑠(𝐴𝑑𝑑) −
0.040089𝑠𝑖𝑛(2𝐴𝑑𝑑))(229.18) (6)
3.1.12. Declinación Solar
Es el ángulo formado entre el plano ecuatorial de la tierra y la línea tierra-sol, el cual varía
debido al movimiento de la tierra alrededor del sol durante el año.
Figura 2. Angulo Declinación Solar
El ángulo de declinación está determinado por la siguiente ecuación:
d = 0.006918 - 0.399912cos(Add) + 0.070257sin(Add) - 0.006758cos(2Add) +
0.000907sin(2Add) - 0.002697cos(3 Add)+ 0.00148sin(3Add) * (180.0 / π) (7)
Figura 3. Variación de la declinación en el año [4]
3.1.13. Hora angular
Indica el desplazamiento angular del Sol sobre el plano de la trayectoria solar. Esta
expresada por la ecuación
𝐻𝑎 = 𝑇𝑠𝑡
4 − 180 (8)
3.1.14. Movimiento diurno
Es el movimiento que realiza el sol observado en el transcurso de un día. Este movimiento
aparente del sol, sale por el este al amanecer, hasta alcanzar una altura máxima (cenit) y
ocultarse por un lugar del oeste al atardecer. Este movimiento cíclico del Sol, definió el día
como el intervalo del tiempo entre dos posiciones del sol por la misma posición aparente en
el cielo.
Figura 4. Movimiento aparente del sol en el transcurso del día
3.1.15. Angulo Cenital
El ángulo del cenit solar es el ángulo entre el cenit y el centro del disco del sol. El ángulo
de elevación solar es la altitud del sol, el ángulo entre el horizonte y el centro del disco del
sol. Dado que estos dos ángulos son complementarios, el coseno de cualquiera de ellos es
igual al seno del otro, como está dado en la ecuación
𝐶𝑜𝑠(𝐴𝑐) = 𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑒) = 𝑠𝑖𝑛 (𝑙𝑎𝑡) 𝑠𝑖𝑛(𝑑) + 𝑐𝑜𝑠(𝑙𝑎𝑡) 𝑐𝑜𝑠(𝑑) 𝑐𝑜𝑠(𝐻𝑎) (9)
Donde 𝐴𝑐 es el ángulo cenital, 𝐴𝑒 es el ángulo de elevación, 𝑙𝑎𝑡 es la latitud, 𝑑 es el ángulo
de desviación y 𝐻𝑎 es la hora angular.
3.1.16. Angulo Azimut
Se define como el ángulo entre una línea hacia el sur y la sombra proyectada por una barra
vertical en la tierra. Esta convención establece que el ángulo es positivo si la línea está al
este del sur y negativa si está al oeste del sur. Esta dada por la ecuación
cos (𝐴𝑧) =−𝑠𝑖𝑛(𝑙𝑎𝑡)cos ( 𝐴𝑐) − 𝑠𝑖𝑛(𝑑)
cos (𝑙𝑎𝑡)𝑠𝑖𝑛(𝐴𝑐) (10)
Donde 𝐴𝑧 es el ángulo azimut
Figura 5. Angulo de elevación y azimut [5]
4. Elementos Básicos de la Energía Solar
El término energía solar se refiere al aprovechamiento de la energía contenida en la
radiación proveniente del sol. Existen diferentes métodos de obtención de energía solar
ya sea pasiva, térmica y el método fotovoltaico implementado en este proyecto. La
energía solar fotovoltaica consiste en la obtención de electricidad mediante un
dispositivo semiconductor de silicio denominado celda fotovoltaica, generando una
corriente eléctrica y posteriormente ser depositamos en los contactos de metal de las
superficies frontal y posterior de la célula, lo que nos permite recoger los electrones
generados en el silicio.
Figura 6. Comportamiento celda fotovoltaica
Como se puede observar en la figura anterior, el comportamiento de estas celdas es
similar a las de un diodo, cuyos canales N-P son expuestos a la luz. Sin embargo, estas
celdas se conforman de otros elementos complementarios que se representan mediante
un circuito equivalente, obteniendo un modelo dinámico para estudios más detallados
del comportamiento de la celda como se observa en la siguiente figura.
Figura 7. Modelo Circuital celda fotovoltaica
Como se observa en la figura anterior, IL es una fuente de corriente que representa la
energía recolectada por la celda, Rs es la resistencia serie debida a la resistividad no
nula del material semiconductor y la principal fuente de pérdidas en la celda, El diodo
representa el semiconductor de la celda y Rsh representa la condición no ideal del
diodo e impurezas del semiconductor de la unión P-N [6].
Para la instalación de energía solar fotovoltaica se requieren unos elementos necesarios
para garantizar la funcionalidad el control y la durabilidad de la instalación solar.
4.1. Panel Solar
El panel solar fotoeléctrico es un conjunto de celdas solares, encargadas de captar la
radiación solar para convertirla en energía. Este tipo de paneles los podemos clasificar en
los paneles de capa fina que son elaborados mediante una capa fina de silicio de amorfo
caracterizados por tener un color uniforme oscuro y fácil fabricación; los paneles
monocristalinos de color azul oscuro que son elaborados mediante silicio puro y fundido en
varias fases de cristalización para formar el monocristal y por tanto es más complicado de
fabricar; y los paneles policristalinos de azul cobalto que son elaborados de igual manera
que los monocristalinos pero con menos fases de cristalización, lo que los hace más fáciles
y económicos de fabricar a diferencia de los monocristalinos.
Figura 8. Tipos de panel solar fotovoltaico
Figura 9. Hoja Característica Panel Solar
Para este proyecto, el panel implementado es un panel solar policristalino por su bajo costo,
sin embargo, su eficiencia de 13% a 16% suele ser menor a comparación de la eficiencia de
15% a 20% del panel monocristalino. La referencia de nuestro panel es YL295P-29b de la
empresa YingliSolar, tiene una potencia máxima de 260W, como se observa en la anterior
figura. Cabe resaltar que la temperatura de operación nominal de este panel es de 46ºC [7].
4.2. Batería
La batería es un elemento que nos permite almacenar la energía eléctrica obtenida por el
panel solar fotovoltaico, conformada por una o más celdas que constan de electrodos
positivos, electrodos negativos y electrolitos que permiten que los iones se muevan entre
los electrodos, facilitando que la corriente fluya fuera de la batería de forma que podamos
posteriormente disponer de esta energía para su consumo. La referencia de esta batería es
MS12V100C de la marca MOTOMA, caracterizada por ser de plomo acido que son muy
comunes en el mercado y que se conforman internamente por varias placas de plomo, que
dependiendo del número de placas, la corriente suministrada será mayor o menor. Sin
embargo, se debe asegurar que este tipo de baterías se encuentren en buen estado, ya que en
ciertas ocasiones podrían resultar perjudiciales para la salud debido al plomo y a los gases
que pueden producirse en ciertas condiciones, y por tanto se deben tener en lugares
ventilados y asegurados para evitar accidentes. Se caracteriza por ser una batería seca SLA,
es decir, son baterías que no necesitan de mantenimiento pero su tiempo de vida útil es más
corto a comparación de otros tipos de batería que requieren de mantenimiento. Cabe
resaltar que la batería implementada es diferente a los otros tipos de batería convencional,
ya que en aplicaciones de energía solar las baterías tienen que suministrar energía sobre un
tiempo relativamente largo a diferencia de las otras baterías que suministran energía en un
tiempo corto, es decir, que la batería implementada es una batería de descarga profunda,
caracterizadas por soportar una descarga del 80% de su energía almacenada, por su gran
tamaño y peso debido al plomo. Tiene un voltaje de 12V y una capacidad de 65Ah, es
decir, que puede suministrar 65 amperios en una hora o 0.65 amperios en 100 horas. Esta
relación de tiempo y corriente básicamente depende del consumo al que se somete la
batería, como esta expresado en la siguiente ecuación:
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(ℎ) = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝐴ℎ)
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜 (𝐴) (11)
Mientras que el tiempo de carga de la batería depende de la corriente generada por el panel
solar, expresado mediante la siguiente ecuación:
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎(ℎ) = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝐴ℎ)
𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑠𝑢𝑚𝑖𝑛𝑖𝑠𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑒𝑙 𝑝𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟 (𝐴) (12)
Sin embargo, el tiempo de carga de la batería con el panel solar puede durar días debido a
que la corriente generada por un panel suele ser pequeña. También se puede estimar la
potencia en horas que nos brinda la batería a partir del producto del voltaje y capacidad de
la batería, es decir, que la batería nos brinda 780Wh, siendo de gran importancia ya que
podemos estimar un tiempo de consumo a partir de la potencia que nos brinda la batería con
respecto a la potencia que deseamos consumir como se observa en la siguiente ecuación:
𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜(ℎ) = 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑏𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎 (𝑊ℎ)
𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 (𝑊) (13)
Esta batería tiene una vida útil de 5 años máximo, sin embargo, la vida útil de la batería
depende de mantener cargada la batería, es decir, no permitir que el nivel de descarga de la
batería sobrepase el 80%. También depende de la temperatura, ya que si no se mantiene a
su temperatura idónea de 25 ºC la vida útil de la batería se puede reducir a 2 años.
Figura 10. Batería Panel Solar MS12V100C
4.3. Regulador de Carga
Es un dispositivo encargado de controlar constantemente el estado de carga de las baterías
así como de regular la intensidad de carga con el fin de alargar la vida útil de las baterías.
Controla la entrada de corriente proveniente del panel solar y evita que se produzcan
sobrecargas y sobre descargas profundas en la batería. Estos reguladores se pueden
clasificar en reguladores de modulación de ancho por pulsos PWM (Pulse Width
Modulación) y en reguladores seguidores de punto máximo de potencia MMQT (Máximum
Power Point Tracking), sin embargo, el regulador que se implemento fue un regulador de
carga PWM debido a su bajo costo, como se observa en la siguiente figura.
Figura 11. Controlador de carga Panel Solar
Los reguladores PWM se encargan de cargar la batería mediante un algoritmo programado
internamente. Básicamente limitan la corriente de entrada a la batería dependiendo de los
estados de carga de la misma. Cuando el voltaje de la batería alcanza el punto establecido
de regulación, el algoritmo PWM reduce lentamente la corriente de carga para evitar el
calentamiento y el gaseado de la batería, pero la carga continúa devolviendo la máxima
cantidad de energía a la batería en el menor tiempo posible, como se observa en la figura.
Figura 12. Representación circuital de un regulador de carga PWM [8]
Sin embargo, estos reguladores fuerzan a los módulos fotovoltaicos a trabajar a la tensión
de la batería, sin ningún tipo de instalación extra. Por ejemplo, si la batería es de 12V, los
paneles cargaran la batería con una tensión de 12V. Su principal ventaja es que son
económicos, sin embargo, estos controladores tienen una capacidad limitada y no
garantizan la vida útil del panel y de la batería, es por esta razón que se suelen recomendar
los reguladores MPPT, ya que estos nos permiten utilizar el 100% de la energía que pueden
suministrar los paneles de tal forma que éste regulador funciona siempre en el punto de
máxima potencia, proporcionando la intensidad de corriente máxima que el panel está
dispuesto a suministrar. Son más confiables en términos de duración y aplicación.
5. Definición de las Condiciones Ambientales
Para el diseño e implementación de un seguidor solar es necesario definir las condiciones
ambientales de almacenamiento de energía en un lugar determinado, que permita una
mayor eficiencia en el panel solar y en el prototipo.
5.1. Consideraciones ambientales para el panel solar
En el caso de Colombia se tiene en cuenta la información de energía solar que nos
proporciona principalmente el IDEAM, entre otras instituciones. Este factor es de gran
importancia, ya que la potencia máxima del panel depende de las variaciones climáticas
debido a la relación que existe entre la radiación solar, la temperatura y la resistencia del
panel solar [9].
5.1.1. Temperatura Ambiente
En términos generales, las células de silicio del panel solar entregan su mayor voltaje a
25ºC, a más temperatura el voltaje disminuye, y aumenta la intensidad de corriente. La
temperatura de operación del panel afecta notablemente la tensión de salida de las placas
solares ya que a mayor temperatura hay menor voltaje de salida y aumenta la intensidad de
corriente, y a menor temperatura mayor será el voltaje de salida y disminuye la intensidad
de corriente como se observa en la siguiente figura.
Figura 13. Curva I vs V [10]
La temperatura de trabajo de la célula del panel está relacionada con la temperatura
ambiente y la irradiación, que se expresa mediante la ecuación
𝑇𝑐𝑐 = 𝑇𝑎𝑎 + 𝐺 ∗𝑇𝑂𝑁𝐶−20
800 (14)
Donde 𝑇𝑐𝑐 es la temperatura de trabajo de la célula (ºC), 𝑇𝑎𝑎 es la temperatura ambiente
(ºC), 𝑇𝑂𝑁𝐶 es la temperatura de operación nominal de la célula del panel (ºC) y 𝐺 es la
irradiancia (W/m2).
Figura 14. Distribución de Temperatura en Colombia [11]
Como se observa en la anterior figura, Colombia se caracteriza por tener temperaturas
correspondientes a climas tropicales debido a su cercanía a la línea ecuatorial, sin embargo,
las pruebas se realizaron en la ciudad de Bogotá D.C. Debido a la posición altitudinal de
Bogotá, determinan un régimen de temperatura isotérmico, con una temperatura media de
12 a 16 ºC.
Figura 15. Temperatura de Bogotá D.C [11]
Hay que tener en cuenta que existen dos fenómenos asociados a los cambios de temperatura
en esta parte del mundo: una fase cálida donde los vientos alisios disminuyen, y las
temperaturas del mar aumentan se conoce como el Niño y una fase fría donde los vientos
alisios aumentan y las temperaturas ecuatoriales disminuyen, se le conoce como la Niña.
5.1.2. Sombra Orográfica
Es un fenómeno meteorológico asociado a las sombras que obstaculizan la luz que impacta
sobre la superficie del panel mediante precipitaciones o días parcialmente nublados. Este
efecto de provoca desajustes de voltaje y corriente en el sistema, provocando pérdidas en la
recolección de energía y así se reduce la potencia de salida y la eficiencia en la conversión
de energía en el panel solar.
Figura 16. Distribución de Precipitaciones en Colombia [11]
Como se observa en la anterior figura, en Bogotá el nivel de precipitación es de 1000 a
1500 milímetros de agua, también se caracteriza por tener varios periodos de
precipitaciones al año.
Figura 17. Registro Histórico Precipitaciones Bogotá 1972-2016 [12]
Figura 18. Precipitaciones en Bogotá D.C [11]
5.1.3. Brillo e Irradiación Solar
El brillo solar es la duración media de brillo solar u horas de sol. La duración del brillo
solar o heliofanía (cantidad del brillo del sol) en horas, representa el tiempo total durante el
cual incide luz solar directa sobre la superficie del panel, entre el amanecer y el atardecer;
mientras que la irradiancia o Irradiación Solar es la potencia incidente por unidad de área
(W/𝑚2) de la radiación proveniente del sol. Ambos factores son de gran importancia ya que
dependiendo de la cantidad de luz aumenta o disminuye la corriente generada por el panel,
mientras que la irradiación está asociada a la potencia generada por el panel solar [11]. En
Bogotá, el brillo solar es de 3 a 4 horas en donde el panel puede aprovechar al máximo la
intensidad de luz del sol, como se observa en la siguiente figura.
Figura 19. Brillo Solar en Colombia [11]
Como se observa en la anterior figura, en Bogotá, el brillo solar es de 3 a 4 horas en donde
el panel debe aprovechar al máximo la intensidad de luz del sol. Cabe resaltar que la
irradiancia puede estar integrada durante un lapso de tiempo que normalmente es un día
(kWh/𝑚2).
Figura 20. Registro Histórico Brillo Solar Bogotá 1972-2016
Figura 21. Irradiación solar en Colombia [4]
Como se observa en la anterior figura, en Bogotá, la irradiancia es de 3,5 a 4,5KWh/𝑚2 en
donde el panel debe aprovechar al máximo la intensidad de luz del sol.
Figura 22. Irradiación solar promedio en Bogotá 2017
5.2. Consideraciones ambientales para el prototipo
Para obtener un rendimiento óptimo del seguidor, también es necesario definir condiciones
ambientales externas del panel que perjudiquen indirecta o directamente sobre el
desempeño energético del seguidor, con el fin de establecer unos parámetros básicos a tener
en cuenta para obtener el diseño mecánico y a su vez garantizar que el consumo de potencia
del prototipo sea bajo.
5.2.1. Consideraciones Indirectas o con poca probabilidad
5.2.1.1. Lluvias Torrenciales y Tormentas Eléctricas
Estos fenómenos se presentan habitualmente en épocas de invierno húmedo en Bogotá, que
pueden durar de 1 a 3 meses al año, dependiendo también si se presenta el fenómeno de la
niña. En Bogotá la lluvia torrencial suele ser frecuente, sin embargo, no tiene ningún efecto
negativo en los sistemas de energía solar fotovoltaica y resulta beneficiosa ya que ayuda a
limpiar el polvo y las impurezas acumuladas en la superficie del panel. Sin embargo, el
agua puede provocar corrosiones sobre la estructura la cual está sujeta al panel y en el caso
de un seguidor solar también podría perjudicar al circuito que controla la orientación.
Aunque las estructuras sujetas a los paneles solares son en su mayoría metálicas.
En el caso de las tormentas eléctricas, los rayos portan inmensas cantidades de energía con
lo que pueden causar graves daños sobre los objetos en los que caigan. Generalmente, los
sistemas de energía solar están ubicados sobre los tejados y por eso tienen posibilidades de
recibir la caída de rayos debido a que el rayo siempre busca el camino más corto hasta la
tierra que en este caso son los objetos altos y metálicos [13]. Aunque es muy escasa la
probabilidad de que caiga un rayo en una instalación solar.
Vientos Fuertes
El viento es el movimiento del aire que se produce entre dos áreas de la tierra con distintas
presiones atmosféricas para compensar el desequilibrio, dirigiéndose desde áreas de altas
presiones hacia las áreas de bajas presiones. En el caso de una instalación solar, las
estructuras suelen ser sensibles a la acción del viento debido a su estructura, ya que pueden
llegar a hacer volar el panel o tumbar la estructura, causando daños en el panel solar o en
una persona. En la siguiente figura se observa el comportamiento de los vientos en la
ciudad de Bogotá. Aunque en la ciudad de Bogotá los vientos no son lo suficientemente
fuertes.
5.2.1.2. Polvo y Suciedad
El polvo es causado por partículas que viajan en el aire y se acumulan que pueden afectar
sobre el desempeño del panel, sin embargo, también pueden causar daños en el prototipo a
largo plazo, ya que si se llegara acumular de polvo y suciedad en los componentes
electrónicos que controlan la orientación del panel solar, puede llegar a sobrecalentar el
circuito llegando a dañarlo. También puede llegar a pasarle a la estructura con acumulación
de residuos no deseados que pueden interferir o perjudicar el movimiento de orientación del
panel.
5.2.2. Consideraciones Directas o que inciden sobre la potencia
5.2.2.1. La Noche
La noche es un factor de gran importancia en una instalación solar ya que en este periodo
de tiempo la energía generada por el panel es mínima debido a la baja irradiación solar.
También se debe tener en cuenta que para la implementación de un seguidor solar el
prototipo debe trabajar a un consumo potencia bajo para obtener la mayor cantidad de
energía posible aprovechando el movimiento perpendicular.
5.2.2.2. La Fricción
La fricción en el mecanismo de seguimiento solar puede resultar un problema para el
consumo de potencia del prototipo debido a que la fricción es una oposición de movimiento
que debe suplirse en potencia adicional para orientar el panel, sin mencionar que puede
ocasionar daños y desgaste en el mecanismo.
5.2.2.3. El Peso
Cabe resaltar que el peso del panel es el principal factor que influye sobre el consumo del
seguidor solar, ya que la potencia es un trabajo y el trabajo es directamente proporcional a
la fuerza. Se debe tener en cuenta que dentro de estos parámetros se encuentra el peso del
panel, el peso del soporte del panel y un peso adicional por ejemplo si se llegaran a parar
aves sobre el panel solar.
5.2.2.4. La Inercia
Por lo general en los seguidores solares el movimiento que orienta el panel hacia el sol está
dado por un motor eléctrico. Al momento de hacer un control de posición con estos
dispositivos siempre va ver un error asociado a la inercia y que depende de las
características internas del mismo.
Agradecimientos
Agradezco al docente tutor y director del proyecto de investigación ‘Prototipo Generador
de Agua Autosostenible’ Enrique Yamid Garzon y al grupo de investigación DIGITI por
brindarme la oportunidad y el apoyo para llevar a cabo este proyecto.
Referencias
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