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UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN
FACULTAD POLITÉCNICA
POSICIONADOR DE PANEL SOLAR GUIADO POR TRAYECTORIA
Autores: Carlos Waimberg Hector Paredes Oscar Zaracho
Orientador:
Ing. Lucas Frutos
[email protected] [email protected]
Palabras claves: panel solar, monitorización, trayectoria solar
1 INTRODUCCION
La energía alternativa, hoy en día, se ha convertido en una salida a la gran demanda
de derivados energéticos y como solución a la problemática de la contaminación
ambiental debido principalmente al uso de productos derivados del petróleo y otros
como plantas térmicas nucleares. Tratar de prescindir completamente de los sistemas
de generación de energía convencional resulta hasta el momento imposible, debido a
que algunos sistemas alternativos se encuentran en fase de investigación y pruebas.
Desde el punto de vista económico, las energías renovables se sitúan en una posición
adecuada al lado de las energías fósiles, para hacer frente a la demanda creciente y
sin perjuicio. Además, las energías renovables pueden en forma ascendente jugar un
papel de sustitución dado que no solo el agotamiento de los recursos fósiles sino
también problemas medio ambientales actúan en contra de este tipo de energías y a
favor de las renovables.
Dentro de las alternativas, la energía solar fotovoltaica es, hoy en día y sin lugar a
dudas, una forma limpia y fiable de producción de energía eléctrica a pequeña escala.
Podemos definirla como la tecnología utilizada para el aprovechamiento eléctrico de la
energía solar que se deriva de las células fotovoltaicas. [1]
La idea de este proyecto se basa fundamentalmente en la monitorización de la
energía solar aprovechada por un panel solar, con fines de optimización y análisis, de
modo a obtener una proyección acerca de la rentabilidad para un sistema proveedor
a gran escala de energía eléctrica, mediante un lote de paneles solares. Diseñar un
sistema prototipo capaz de realizar las mediciones y análisis de la energía solar es
el principal objetivo de este proyecto.
1.1 Panel Solar
Mediante las células fotovoltaicas (Panel Solar), la radiación se transforma
directamente en electricidad aprovechando las propiedades de los materiales
semiconductores. Las celdas fotovoltaicas conocidas también como celdas solares
están hechas de materiales semiconductores, en especial de silicio, el mismo que se
emplea en la industria de la microelectrónica. Se emplea una delgada rejilla
semiconductora para poder originar un campo eléctrico, positivo en un lado y negativo
en el otro, claro está; cuando la energía proveniente de los rayos solares llega a la
celda fotovoltaica, los electrones son golpeados por fotones y sacados de los átomos
del material semiconductor Fig.1, en ese instante los electrones son capturados en
forma de corriente eléctrica. Las celdas son aquellas que, juntas, forman un panel
fotovoltaico, pero un arreglo de varias celdas conectadas eléctricamente unas con
otras en una estructura generan un módulo fotovoltaico.
Los módulos son construidos con el objetivo de brindar un determinado nivel de
voltaje, un ejemplo es un sistema de 12 voltios; la corriente que se produzca
dependerá siempre de cuanta luz el módulo capte. Los sistemas de este estilo puede
funcionar aisladamente o conectados en red; con respecto a estos último, los mismos
interaccionan a través de una interfaz electrónica, es decir, un inversor, que transforma
la corriente directa en alterna para poder ser utilizada luego. [2]
º
Fig. 1 [1]
1.2 Trayectoria Solar
Es necesario precisar la posición del Sol en cada instante para optimizar el
rendimiento de los generadores fotovoltaicos. El sistema más apropiado para
comprender cada una de estas posiciones es el de coordenadas polares Fig. 2. En
este sistema el origen está situado en la posición del receptor (la referencia). El plano
fundamental es el horizontal, tangente a la superficie terrestre. La perpendicular a este
plano en dirección a la semiesfera celeste superior define la posición del ZENIT del
lugar o zenit local. En la dirección opuesta, a través de la Tierra, se sitúa el NADIR.
Las direcciones principales sobre el plano horizontal son la Norte-Sur, intersección con
CARGA
el plano meridiano del lugar, y la perpendicular a ella Este-Oeste, intersección con el
plano denominado primer vertical. [1]
Fig. 2
Respecto al sistema anteriormente descrito, la posición del Sol se define mediante los
siguientes parámetros: [3]
Latitud del lugar: Es la localización angular por encima o por debajo del
ecuador que dependerá de la posición del observador o el punto de ubicación del
panel. (-90�� LAT � 90)
Declinación: Posición angular del sol al medio día solar respecto al plano del
ecuador. (-23,45 � DEC � 23,45)
Azimut: Es el ángulo que forma la proyección de la normal de la superficie
sobre un plano horizontal respecto del meridiano local. Este ángulo es cero si el plano
está orientado al Oeste, y negativo al Este. (-180 � AZ � 180)
Angulo horario: Indica el desplazamiento angular del Sol al Este o al Oeste del
meridiano local debido a la rotación terrestre sobre su eje, a 15/horas.
El movimiento aparente del Sol respecto de un sistema de coordenadas
cartesianas fijo de referencia tal como el de la Fig. 3 viene dado por el vector su :
kujuiuu zyxs ++=� (*)
( ) ( ) ( )( )302886,0594757,0coscos +−= tsentsenttsenu x ωπωπλ
( ) ( ) ( ) ( )ttsenttu y ωπδωπ coscoscos −=
( ) ( ) ( )( )( )257868,0698590,0coscoscos −−= tsentsenttu z ωπωπλ
Fig. 3
Donde: �44,23=δ , �0410,15=ω /hora , �04106866,0=π /hora = 0,985648 �
Para la mayor parte de los cálculos, es suficientemente precisa la aproximación:
αλαλ sentsenu hx cos15coscos −=
hy tsenu 15cosα=
αλαλ cos15coscoscos sentu z +=
Donde:
��
���
�= dtsensenarcsen365360λα
dt Día del año contado a partir del equinoccio de primavera. Para el día 21 de
marzo, 1=dt .
ht Hora solar.
Z
su�
Y (este)
X (sur)
2 MATERIALES Y MÉTODOS
El prototipo diseñado consta principalmente de un Microcontrolador PIC 16F877, una
estructura de soporte, donde posa el panel solar, una computadora para el control y
recepción de datos. En el diagrama en bloque Fig. 5, podemos observar el panel
solar, a base de silicio de dimensiones 100x70mm, el cual esta conectado al puerto
de entrada del conversor ADC del PIC.
El sistema de mecánico del posicionador está construido con materiales reciclados, los
soportes de motores del panel están hechos con una carcasa, en este un caso un
reproductor de CD. Para su ensamblado se utilizó tornillos, tuercas, y pegamento. .
Además en toda esa estructura están montados dos sensores de fin de carrera
mecánicos, que posibilitan establecer la referencia a la hora del posicionamiento
inicial. Las señales provenientes de dichos sensores se envían al microcontrolador.
El microcontrolador tiene la función de recibir la señal eléctrica (tensión de la celda
fotovoltaica) para realizar la conversión digital de la misma a través de su ADC
interno, luego el dato es procesado y enviado a la PC para su posterior visualización.
Para tal comunicación se utiliza el circuito integrado MAX-232, el cual cumple la
función de adaptar el nivel de tensión entre el puerto de comunicación de la PC y el
microcontrolador según el protocolo estándar RS 232. Se puede observar en el
diagrama que la interacción entre la PC y el microcontrolador es bidireccional puesto
que el sistema es comandado por un software desarrollado para el mismo, donde
también se hace la visualización antes mencionada Fig. 4. El software está
desarrollado en Visual Basic 6.0.
Fig. 4 -Diagrama en bloque del sistema.
MICROCONTROLADOR
PIC
PC
CONTROLADOR DE MOTOR MOTOR
Panel solar
Posicionamiento del Panel Solar
Al conversor ADC del PIC
Comunicación Serial-RS 232
El proceso de los datos, para el control de posicionamiento, el PIC lo hace mediante
el vector de trayectoria solar (*); consecuentemente toma la decisión de activar el
motor que gobierna azimut o elevación, de igual manera controla el ángulo de giro de
los mismos, donde cada ángulo está asociada al vector de posición. Toda esta cinética
de motores se realiza mediante un módulo de potencia constituido por dos drivers
LB1845. El módulo se encarga de adaptar los niveles de señal del microcontrolador
para el funcionamiento de los motores.
Para el sistema diseñado, los dos motores utilizados son de paso (EPSON EM-258)
con aproximadamente 1,15 grados por cada paso; gracias a esta resolución se logra
que el sistema sea bastante preciso a la hora de realizar el posicionamiento del panel.
Fig. 5- Software de control y monitorización.
3 RESULTADOS.
El módulo controlador consta de dos placas. La primera contiene el microcontrolador y
fue diseñada utilizando el software EAGLE versión 4.13; el mismo es un CAD para
diseño de circuitos electrónicos. La otra placa contiene el módulo de potencia para los
motores; ésta fue reciclada de una impresora EPSON Stylus Color 400 al igual que
los motores de paso. La mecánica del posicionador fue construida, como se mencionó
en la sección anterior, con materiales reciclados, obteniéndose así un sistema
totalmente desmontable. El sistema mecánico se observa en la foto de la Fig. 6.
Visualización del nivel de tensión del Panel Solar
Fig. 6- Sistema Mecánico
Para poner en funcionamiento el sistema, primero se posiciona automáticamente el
panel o sea, se orienta el mismo mediante su sistema mecánico hacia el este,
pulsando el botón “Pos-inicial” (ver FIG 5.). Luego que se haya orientado el panel
hacia el este, el sistema se pone en espera para el inicio de la descripción de la
trayectoria. Una vez que se pulsó el botón “start”, el sistema empieza a funcionar y a
enviar los datos de la conversión realizada por ADC a la PC para su posterior
visualización. Una vez que el sistema se haya puesto en marcha, el microcontrolador
realizará una actualización de la posición cada 15 min, tanto azimut como elevación.
El sistema tiene una funcionalidad flexible, debido a que puede ser modificado para
que sea utilizado en cualquier punto de la superficie terrestre y en cualquier época del
año, pues en el microcontrolador se encuentra modelada la trayectoria solar por medio
del vector de posición aparente del sol descripto al inicio. Para dicha modificación, de
funcionalidad, el sistema puede ser actualizado mediante el software de control en la
PC. Además se puede observar los datos de azimut y elevación en un sector de la
pantalla del software, con esto se puede verificar el movimiento del sol con respecto a
la Tierra y observar como cambia la posición del astro dependiendo de la estación y a
medida que transcurre el tiempo.
PANEL SOLAR
SENSORES DE FIN DE
CARRERA
MOTOR HORIZONTAL
(AZIMUT)
FIG. 7- Curva de Energía
4 DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN
Para iniciar este proyecto se procedió a verificar el comportamiento de la ecuación del
vector de trayectoria solar, para lo cual generamos una tabla de fórmulas y variables
en EXCEL donde se podía verificar la variación de los ángulos de azimut y elevación
a medida que trascurría el tiempo (8 AM – 17 AM) y se comprobó que los resultados
eran bastante aproximados y coherentes. Mediante estos datos generados se realizó
el algoritmo necesario para modelar y adaptar al microcontrolador de modo a
controlar el sistema posicionador.
A la hora de la programación del PIC, con lenguaje C, se debía hacer correctamente la
asignación de bancos pues los cálculos extensos y complejos a veces desbordaba la
asignación por defecto que realizaba el compilador.
Por otra parte surgió otro inconveniente al configurar el USART, pues el texto en inglés
del datasheet del PIC fue interpretado erróneamente en un principio; el mismo
proponía setear los pines de transmisión y recepción, es decir establecer los dos como
entrada. Pero luego se probó la otra interpretación posible, que sugería configurar el
pin de recepción como entrada y el pin de transmisión como salida con otros arreglos,
de ese modo se logró el buen funcionamiento de la comunicación serial.
De manera a adoptar un solo esquema y de la manera más sencilla, tanto en Visual
Basic como en C, con el protocolo RS 232; se optó por trabajar exclusivamente con
caracteres de manera que un dato numérico se convertía a cadena para su posterior
envío en ambas direcciones.
Cabe destacar que en el posicionamiento inicial también se realiza una corrección
aproximada de 3 grados con respecto a la elevación del panel, debido a un efecto
conocido como aberración cromática que aparenta el sol más elevado de lo que se
encuentra cerca del horizonte, debido a la refracción de la luz en la capa atmosférica.
Todas las prestaciones del sistema están enfocadas hacia estudios meteorológicos
pues se puede mejorar el software de la PC para generar una base de datos de
manera a tener un registro del comportamiento radiaciones solares durante ciertas
épocas del año, determinar el comportamiento de trayectoria solar; así también
analizar la incidencia de radiación solar en ciertas áreas, factor importante a la hora de
determinar la factibilidad y rentabilidad de la instalación de una planta generadora de
energía eléctrica.
Por último recordamos que este sistema de seguimiento mejora el rendimiento del
panel solar, lo cual nos permite adquirir mayor cantidad de energía bajo las mismas
condiciones ambientales y en el mismo día Fig. 7. Pues se logra ensanchar la curva
de Gauss de adquisición de energía, comprobando que el pico máximo de energía se
obtendrá cerca del medio día.
5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Universidad de Jaén – Grupo IDEA. Curso de Paneles Disponible en www.ujaen.es [2] Disponible en www.instalacionenergiasolar.com [3] Energia Solar – José Doria Rico/María Cruz de Andrés Garcia/Carlos Armenta Deu
