Automatización de Panel Solar

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Automatización de Panel Solar
Daisy Isabel Kang Cardozo1, Eustaquio Alcides Martínez Jara2
Facultad Politécnica, Universidad Nacional del Este
Ciudad del Este, Paraguay
1
[email protected], [email protected]
Resumen. Este trabajo propone un método de seguimiento solar mediante el desarrollo de un prototipo de sistema
de control de los paneles fotovoltaicos. El objetivo del sistema es optimizar el rendimiento de los paneles mediante
el diseño estructural de un seguidor solar, el cual debe poder seguir completamente la trayectoria del sol y
posicionar los paneles fotovoltaicos en forma perpendicular a los rayos del sol. El programa de control permite
recibir señales de sensores dispuestos en el seguidor y enviar los impulsos electrónicos correspondientes a los
motores por medio de un circuito interfaz. Se ha logrado una gran precisión en los movimientos del prototipo
construido con materiales reciclados.
Palabras Claves: Seguimiento solar, control de motores, energía solar
Abstract. This work proposes a solar tracking method through the development of a system prototype for
controlling photovoltaic panels. The objective of this system is to optimize the panel performance through a solar
tracker structural design, which will follow the sun's trajectory keeping the photovoltaic panels in a perpendicular
position with respect to the sun beams. The control program receives signals from sensors arranged in the solar
tracker and sends the corresponding electric impulse to the motors through an interface circuit. High accuracy of the
recycled material system movement can be achieved.
Keywords: solar tracking, motor control, solar energy
1. Introducción
La energía solar es una fuente de energía limpia,
renovable, que no modifica el medio ambiente y sobre
todo es gratuita. Según el 21º Estudio del World
Energy Council, para el año 2100 el 70% de la energía
consumida será de origen solar [1].
El Paraguay es un país con una posición privilegiada
en cuanto a la cantidad de radiación solar incidente en
toda su extensión, principalmente en la Región
Occidental o Chaco. El Chaco se destaca por su aridez
y por sus extensas planicies, las cuales son condiciones
ideales para la obtención de energía solar. Algunos
esfuerzos ya se han realizado, como en la población
indígena Chamacoco del Alto Paraguay [2]; pero aún
son escasos, teniendo en cuenta las características
anteriormente citadas, donde se puede percibir los
beneficios tanto económicos como ecológicos que se
podrían obtener implementando sistemas de
seguimiento solar, fundamentalmente en esta región.
Países más desarrollados tienen como prioridad de
política energética aumentar la producción de las
energías renovables. En el año 2001 la Unión Europea
aprobó la directiva para las energías renovables. El
objetivo de ésta era duplicar para el año 2010, la cuota
de las energías renovables en el consumo energético de
la Unión Europea, como paso indispensable para la
sostenibilidad del planeta. El modelo energético
europeo debía comenzar a abrirse hacia el horizonte de
las nuevas tecnologías, que pudieran sostenerse en el
futuro haciendo el menor daño posible al entorno [3].
Queda en claro la importancia que otros países están
dando a la problemática de la contaminación ambiental
y la necesidad de frenar el cambio climático en
desarrollo.
Teniendo en cuenta éstos datos, se ha decidido
construir un sistema de seguimiento solar con dos
grados de libertad, pues éstos permiten un movimiento
más completo de los paneles y por tanto un mejor
aprovechamiento del sol. Se ha estimado que el
rendimiento de los paneles solares puede ser
incrementado de treinta a setenta por ciento, utilizando
un sistema de seguimiento en lugar de uno de orden
estacionario [4]. Actualmente el seguidor solar es un
elemento crítico, por lo que se están fabricando
módulos adaptados a la precisión de los seguidores y
no al revés [5]. Estudios han revelado que un sistema
de seguimiento solar es rentable a largo plazo a pesar
de tener un alto costo, tanto inicial como de
mantenimiento.
El alto costo se debe en gran medida a que estos
aparatos son importados y sus refacciones no se
encuentran en el mercado local [6]. Desarrollando un
sistema y un modelo propios con componentes
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disponibles en el mercado local, se abaratarían
significativamente el costo inicial y de mantenimiento.
2. Objetivos
2.1 General
• Proponer un sistema de seguimiento solar, para
controlar paneles fotovoltaicos de manera a
optimizar el rendimiento de los mismos.
2.2 Específicos
• Desarrollar un software que reciba información de
sensores y envíe información de la computadora a
la interfaz de control, utilizando software libre.
• Construir una interfaz electrónica que controle una
plataforma móvil.
• Construir un prototipo físico del modelo.
4. Materiales
Las librerías de Lenguaje C para Linux que fueron
utilizadas son: ncurses.h y sys/io.h. La primera fue
utilizada para capturar las teclas presionadas y la
segunda para utilizar las funciones de manejo de
Entrada/Salida a bajo nivel.
3.3 Sistema Operativo Linux
Este Sistema Operativo, posee la gran ventaja de ser un
software gratuito que se distribuye bajo la Licencia
Pública General de GNU4 o GPL5, además de ser
robusto, estable y rápido.
3.4 Materiales Reciclados
Para la construcción del prototipo del seguidor solar se
han utilizado materiales reciclados, como retazos de
madera, partes de artefactos electrónicos en desuso:
motores, engranajes, etc.
4. Métodos
3.1 Puerto Paralelo
El puerto paralelo de la computadora fue elegido, pues
es ideal como herramienta de control de motores,
LED’s1, etc. La característica principal de este puerto
es que los bits2 de datos viajan juntos enviando ocho
bits, o sea, un byte completo a la vez. El tipo de puerto
paralelo utilizado fue el puerto de impresora (tipo
Centronics), pues es el puerto paralelo más conocido y
además se destaca por su sencillez y transmite ocho
bits a una velocidad de 2,5 Mbps3 [7]. Con la
utilización del puerto paralelo se han evitado
problemas en la captación de señales y se ha logrado
facilidad en el control y la adquisición de datos.
Para llevar a cabo este proyecto se ha estudiado a cerca
de los puertos de Entrada/ Salida de una computadora,
y los lenguajes de programación posibles. Además de
investigaciones sobre los diversos sistemas de
seguimiento existentes en el mercado.
El esquema general del sistema de seguimiento
propuesto, es el expresado en la Figura Nº 1
3.2 El lenguaje C
Para la generación del programa de control se decidió
utilizar el lenguaje de programación C, porque es un
lenguaje de programación de propósito general que
ofrece economía sintáctica, control de flujo y
estructuras sencillas y un buen conjunto de operadores.
No es un lenguaje de alto nivel y más bien es un
lenguaje pequeño, sencillo y no está especializado en
ningún tipo de aplicación. Esto lo hace un lenguaje
potente, con un campo de aplicación ilimitado y sobre
todo, se aprende rápidamente. Es un lenguaje
estructurado, ya que permite crear procedimientos en
bloques dentro de otros procedimientos. Hay que
destacar que el C es un lenguaje portable, ya que
permite utilizar el mismo código en diferentes equipos
y sistemas informáticos. El lenguaje es independiente
de la arquitectura de cualquier máquina en particular
[8].
1
LED: (Light Emitting Diode) Diodo emisor de luz
Bit: (Binary digt) Dígito del sistema binario, puede tomar
uno de 2 valores diferentes (0 ó 1)
3
Mbps: Mega bits por segundo. Equivale a un millón de bits
transferidos por segundo
2
4
GNU: (GNU is not Unix). Conjunto de programas
desarrollados por la fundación Free Software Foundation
(Fundación por el software libre)
5
GPL: (General Public License) Licencia Pública General.
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Figura Nº 1. Esquema general del sistema de seguimiento
4.1 Estructura Mecánica
Primeramente se ha realizado el diseño estructural de
un seguidor solar de dos ejes, como se muestra en la
Figura Nº 2. La característica del modelo logra que se
pueda seguir completamente la trayectoria del sol y
posicione a los paneles fotovoltaicos en posición
perpendicular a la de los rayos del sol. La mencionada
posición es óptima para la generación de energía. El
prototipo consiste básicamente en una base que soporta
un eje para el movimiento de elevación (este-oeste) y
otro eje para el movimiento acimutal6. Sobre éste
último estaría la base para los módulos fotovoltaicos
El modelo propuesto del diseño estructural ha sido
construido con materiales reciclados como se muestra
en la Figura Nº 3 (a). Componentes electrónicos en
desuso y retazos de madera encontrados en
carpinterías. Para la motorización del prototipo se han
utilizado los motores de paso y los engranajes
encontrados de impresoras dañadas (Figura Nº 3 (b)).
Los motores de paso son ideales para este proyecto, ya
que éstos tienen la característica de ser de alta
precisión; es decir, pueden ser arrancados o parados en
una posición controlada; además de poder rotar en
ambos sentidos. El conjunto de engranajes reductores,
se encarga de reducir la velocidad del seguidor y
aumentar el torque del motor. Además un contrapeso
ha sido colocado en sentido contrario a la base para los
módulos fotovoltaicos. Esto ha permitido utilizar
energía potencial para disminuir la energía eléctrica
consumida por los motores.
Figura Nº 2. Estructura del sistema mecánico del Prototipo.
6
Movimiento acimutal: Variación del ángulo del sol de
acuerdo a las estaciones del año.
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(a)
(b)
Figura Nº 3. (a) Prototipo fabricado con materiales reciclados, (b) Conjunto de engranajes y motor de paso
4.2 Software de Control
Funcionamiento del Seguidor Solar
Se ha estudiado el puerto paralelo. Los sistemas de
transferencia de datos que posee, es decir, la
metodología de transferencia y recepción de la
información en una computadora. Las funciones de
cada uno de los pines7 de un conector de puerto
paralelo estándar y su configuración. Las direcciones
de Entrada/Salida asociadas con el puerto paralelo y las
direcciones base.
El control del sistema de seguimiento solar se ha
realizado por medio de un programa de control en el
lenguaje C. Este sistema seguirá una rutina de control
discontinua, debido a la poca variación de posición que
el sol posee.
Se han implementado funciones en Lenguaje C, para
controlar los puertos paralelos y la estructura de
programación. Se han utilizado las librerías ncurses.h
para la interactuación con el software y sys/io.h para
otorgarle los permisos necesarios para trabajar con el
puerto paralelo.
Para conocer mejor el funcionamiento del puerto se
realizaron varias pruebas con una pequeña estructura
electrónica compuesta de un conector de puerto
paralelo macho, resistores y LED’s (Figura Nº 4).
El seguimiento se realizará por radiación solar directa.
Las señales de las fotorresistencias (LDR’s8) serán
enviadas a un circuito, que calculará la diferencia entre
las señales de los sensores correspondientes a S1-S2 y
S3-S4 (Figura Nº 5 (a)). La diferencia de las señales
generadas por los sensores hará que los motores
realicen el movimiento correspondiente, de forma a
ubicar a los paneles solares en posición perpendicular a
los rayos del sol.
El muro generador de sombra es un montaje donde se
han colocado los LDR’s, lo que permite conocer si los
módulos fotovoltaicos están en posición perpendicular
a los rayos del sol. Pues éste genera sombra sobre los
LDR’s que no tienen incidencia directa con los rayos
solares.
Figura Nº 4. Dispositivo electrónico
Con la prueba se pudo obtener un resultado visual de
las señales enviadas desde la computadora al
dispositivo, y se pudo comprobar el correcto
funcionamiento del programa de control y del
hardware utilizado.
7
Pin: Objeto cilíndrico, pequeño y delgado, de metal
utilizado para conectar componentes.
8
LDR: (Light Dependent Resistor) Resistor dependiente de
la luz.
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Muro generador
de sombra
Sensores
de luz
Sensores de
luz
(a)
(b)
Figura Nº 5. (a) Disposición de las fotorresistencias, (a) Muro generador de sombra y LDR’s
funcionamiento de éste, y los respectivos ajustes le han
sido aplicados.
4.3 Circuitos
La construcción tanto del circuito interfaz como del
circuito comparador, se ha realizado en dos etapas.
Primeramente se ha procedido al diseño y a la
simulación. En segundo lugar se han montado
físicamente las placas. Pruebas han sido realizadas con
el circuito interfaz para verificar el correcto
La función del circuito interfaz es permitir la
comunicación entre la computadora y el seguidor solar;
es decir, permite que la computadora reciba como
entrada los bits de salida del circuito comparador de
señales
y
enviar
los
impulsos
eléctricos
correspondientes a los motores.
(a)
(b)
Figura Nº 6. (a) Circuito interfaz, (b) Placa del circuito interfaz de control
(a)
(b)
Figura Nº 7. (a) Circuito comparador de señales, (b) Prototipo del circuito comparador de señales.
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4.4 Procedimientos Finales
Se ha realizado la conexión del seguidor solar con la
computadora, y seguidamente la programación y
depuración del código de control de dos motores de
paso.
[5]
García, C., Seguimiento Solar: Titan Tracker un
nuevo
concepto
[en
línea]
<http://www.cpvtoday.com/eu/presentations/Po
nencia.pdf> [11-04-2009]
[6]
Oliveira, C., Desenvolvimento de um protótipo
de rastreador solar de baixo custo e sem
baterías,
Disertación
de
Maestría,
Departamento de Energía Nuclear, Centro de
Tecnología y Geociencias, Universidad Federal
de Pernambuco, Recife – PE, Brasil, marzo,
2007
[7]
Kang, D., Bobadilla, G., “Control de Motor por
computadora”, Libro de Resúmenes, XVI
Jornadas de Jóvenes Investigadores, AUGM,
Universidad de la República, Montevideo Uruguay, octubre, 2008, pp. 196
[8]
Escuela Nacional Preparatoria de México,
Fundamentos del lenguaje C [en línea]
<http://dgenp.unam.mx/planteles/p4/p4lenguaje
c/1int-c.htm> [07-05-2008]
El prototipo ha sido ensayado y ajustado para la
comprobación de su correcto funcionamiento.
5. Conclusiones
El mercado de la energía solar está buscando
tecnologías cada vez más eficientes. De las cuales se
destacan el seguimiento solar con dos ejes y los
sistemas de concentración. La tecnología de
concentración fotovoltaica utiliza el sistema de
seguimiento solar con dos ejes. Es decir, la tecnología
de seguimiento solar con dos ejes es la base para la
segunda.
El prototipo ha demostrado una gran precisión en sus
movimientos, logrando el grado de precisión deseado.
El modelo del prototipo ha permitido que el sistema de
seguimiento propuesto obtenga un seguimiento
completo a dos ejes, al contrario de la mayoría de los
modelos existentes en el mercado. Los cuales no
permiten un movimiento cenital mayor a 30º o 35º.
La construcción de sistemas de seguimiento solar
elaborados con componentes existentes en el mercado
local reducen notablemente los costos de los
seguidores solares.
Referencias
[1] GAHELIOS, El sol subministrarà el 70% de
l'energia
en
2100
[en
línea]
<http://www.gahelios.com/ca/noticias/el-solsubministrara-el-70-de-lenergia-en-2100>
[16-06-2009]
[2]
Autosuficiencia Revista Digital, Energía solar y
eólica para una aldea indígena en Paraguay [en
línea]
<http://tabloide.eurofull.com/shop/detallenot.as
p?notid=613> [24-04-2009]
[3]
Martínez, M., Diseño óptimo de la instalación
eléctrica de una huerta solar foto-voltaica de
concentración, Proyecto de grado, Universidad
Pontificia Comillas –
Escuela Técnica Superior de Ingeniería, Madrid
– España, 2007
[4]
Saxena, A.K., Dutta, V., “A versatile
microprocessor based controller for solar
tracking”, in Proc. IEEE, 1990, pp. 1105 –
1109.
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