SEGUIDOR SOLAR ECONÓMICO DE UN EJE 04.43

SEGUIDOR SOLAR ECONÓMICO DE UN EJE
G. Gareis1, J. Stivanello2, M. Benito3, F. Cuestas4
Laboratorio de Energías Alternativas – Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Paraná
Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Paraná – Almafuerte 1033 C.P. 3100 – Entre Ríos
Tel: 0343-4243054/4243694 – Fax: 0343-4243589 e-mail: [email protected]
RESUMEN: Lo que se pretende con el presente trabajo es la descripción de un seguidor solar económico de un eje para
mejora de rendimiento en época invernal en zonas del litoral. Se sabe que la zona del litoral argentino no se caracteriza por
poseer excelentes niveles de radiación solar la cual además se ve perturbada en gran medida por variaciones climáticas
(nubosidades, precipitaciones, etc). Se sabe también que existen bastas zonas con ausencia de red eléctrica. Fijando una
inclinación óptima para dicha época del año y logrando el movimiento acimutal (este-oeste), es posible aumentar el
rendimiento del panel. El movimiento diario no parte del sensado de la posición del astro, sino de una estimación de la misma
por medio de cálculos hechos por el controlador del sistema.
Palabras clave: seguidor solar, día solar, microcontrolador (MCU).
INTRODUCCIÓN
Las condiciones climáticas en el litoral argentino no son las óptimas para la generación de energía solar fotovoltaica por ser
un clima cálido-húmedo, tener lluvias regulares y una cantidad considerable de días nublados. Aún así, se alcanzan niveles
medios de radiación solar, llegando en invierno a tener 3 horas solares pico.
Por otro lado, existen gran cantidad de lugares que no poseen energía eléctrica debido a que estamos en presencia de una
zona de grandes extensiones de campo y monte; en muchos de estos lugares existen pueblos pequeños, escuelas rurales, o
campos particulares que tienen la necesidad de electricidad.
El seguidor diseñado, que contempla una parte electrónica y otra estructural, pretende ser una solución en cuanto a costos de
un sistema de generación de energía mediante paneles fotovoltaicos. Las premisas para el diseño del mismo fueron:
- Bajo costo y robustez.
- Estructura simple (posibilidad de que sea realizada por herrero, sin piezas mecanizadas).
- Electrónica simple de fácil uso para el usuario.
- Libre mantenimiento.
A raíz de esto se diseñó dentro del Laboratorio de Energías Alternativas un sistema de seguimiento de un, usando materiales
fáciles de conseguir para realizar la estructura de gran robustez sumado a un control electrónico sencillo y además una gran
robustez. En el sistema es posible montar 3 paneles, con una superficie total receptora de 2 [m2]. El aumento de eficiencia
puede llegar a un 20 % en relación a la energía generada sin seguidor (sin datos aún) y el costo no representa más de 1/3 del
costo de 2 [m2] de paneles solares.
SEGUIDOR SOLAR DE UN EJE - CONTROL ELECTRÓNICO – GENERALIDADES
El corazón del sistema es un Microcontrolador. Por otro lado, consta con un driver para motores de corriente continua y un
driver para norma RS-232 para la comunicación con la PC para las configuraciones que se le hacen al programa del
microcontrolador las cuales son básicamente, el seteo de la fecha y hora de inicio. Por otro lado, se cuenta con un
motorreductor. Básicamente, el sistema posee en memoria por un lado, los datos de salida del sol de todo el año y por otro, el
intervalo de tiempo que debe esperar entre cada paso de avance para cada día en particular, es decir divide su trayectoria de
movimiento en función de dicho rango. La división esta dada a partir de la cantidad de dientes que posee la corona asociada
al motorreductor de corriente continua. Cada diente supondrá el delta de tiempo que tendrá que esperar para efectuar un
nuevo movimiento.
•
•
•
Sistema microcontrolado.
Bajo consumo
Posibilidad Conexión PC para configuración
1
Becario Laboratorio Energías Alternativas
Becario Laboratorio Energías Alternativas
3
Becario Laboratorio Energías Alternativas
4
Becario Laboratorio Energías Alternativas
2
04.43
•
•
•
•
•
•
RTC (Reloj de Tiempo Real)
Modo Funcionamiento Normal / Modo Configuración / Modo Bajo Consumo
Línea de realimentación para protección motor
Detección de batería baja y/o desconexión
Batería auxiliar
Sensado Óptico
Figura 1: Diagrama de Bloques control electrónico.
Funcionamiento del sistema
Debido a que la realización de un sistema basado en el sensado de la radiación como variable a medir para estimar la posición
del sol se ve afectado por un sinnúmero de inconvenientes, se implementó una lógica basada en los horarios de salida y
puesta del sol diarios y en función de estos, la duración del día solar.
En primer término, el sistema basa su funcionamiento mediante la estimación de la posición solar. Para esto, se grabaron en
memoria FLASH del MCU por un lado los valores de salida de sol de todo un año y por otro, el intervalo de tiempo de espera
para realizar un paso equivalente a un diente de la corona solidaria al motor. El delta de tiempo se calculó en función del
horario de puesta y de salida del sol conjuntamente con el valor constante de cantidad de dientes de la corona.
Figura 2: Mapa de memoria FLASH del MCU.
Ejemplo de cálculo del delta t:
Día
25/09
Cantidad Dientes
Horario Salida
06:47
Horario Puesta
19:00
40
Tabla 1: Cálculo delta t
(1)
04.44
(2)
Es decir que en memoria se guardó el valor 6:47[hs] (horario de salida) y 20[min] (delta de tiempo) de manera tal de llegar a
las 19hs de ese día con el panel en la posición 40 de los dientes y por ende, al final de la trayectoria de la celda (es decir, con
la misma apuntando al oeste)
La información fue adaptada de manera tal que ambos valores ocupasen 1 byte cada una. Para esto se estructuró el horario de
salida de la siguiente manera:
Figura 4: Byte de información.
Como la hora de salida varía de 5 a 7 de la mañana, con dos bits se puede cubrir esa información. Las decenas de minutos
van de 0 a 5 (6 valores) para lo cual basta con 3 bits. En el caso de la unidad de minutos, la cual varia de 0 a 9 (10 valores),
nos faltaría cubrir dos valores. Como la exactitud en esta información no es relevante, se considera que si los 3 bits se
encuentran en 1, entonces el valor puede ser un 7, 8 ó 9 dejando un margen de error de 2 minutos al horario de salida
Así, para el ejemplo anterior, tendremos:
6
01
4
100
7
111
Tabla 2: Byte de información.
Es decir, un 103 en decimal.
En el caso del intervalo de tiempo, se almacenó como un número decimal considerando la cantidad de minutos de la siguiente
manera. Para el ejemplo, para el día 25
Día
Horario Salida
25/09 06:47 = 6.7833
Tabla 3: Intervalo de tiempo.
Horario Puesta
19:00 = 19
Rango Horario (19 – 6.7833)
12,21
Intervalo de tiempo (40 dientes)
0,3054 = 20[min]
El valor 0,3054 multiplicado por 60 nos da aproximadamente 20[min], sólo que, por una cuestión de practicidad, se guardó
en FLASH multiplicado por 100 de manera tal de guardar en el byte correspondiente al día 25 (365 posiciones distantes).
Reloj de Tiempo Real (RTC)
El sistema posee implementado un RTC mediante el cual puede mantenerse actualizada la fecha del sistema. La base de
funcionamiento está en el módulo TIM (Timer) del MCU que produce una interrupción cada 1[seg] y en dicha interrupción,
se actualizan los datos de minuto, hora, día, mes y año. El diagrama de flujo de la rutina RTC, que se ejecuta cada 1[seg]
es el siguiente:
Figura 5: Diagrama de flujo RTC.
04.45
Figura 6: Diagrama de flujo firmware.
Estructura
La premisa que se tomó para el diseño mecánico es el bajo costo y alta accesibilidad a los elementos con que se construye. El
prototipo puede construirse con piezas estándar del mercado nacional. Además no solo cuenta con una ventaja económica
sino que también resulta ser una solución de baja complejidad de construcción, no requiriendo tecnología de última
generación para su manufactura. La estructura consiste en un reticulado confeccionado con caños de sección cuadrada de
acero SAE 1020 y chapa de acero laminada.
El análisis de esfuerzos de la misma fue realizado con las fuerzas producidas por el peso propio de la estructura y la carga del
viento. Este análisis fue verificado mediante el uso de un software de elementos finitos y CAD 3D cuyos resultados pueden
observarse a continuación.
Figura 7: Resultado de estudio de tensiones con una carga de vientos de 30 m/s (108 Km/h) para tres paneles de 85W.
04.46
Figura 8: Imágenes renderizadas del prototipo final. En la vista posterior se observa la carcaza protectora del sistema.
CONCLUSIONES
Este diseño de seguidor solar de n eje, es el resultado de mejoras realizadas a un prototipo ya existente realizado en años
anteriores en nuestro laboratorio. Dentro de las principales ventajas podemos asegurar que se obtiene un nuevo diseño
mecánico en el que prácticamente se pueden colocar paneles de cualquier marca y dimensiones, respetando una superficie
máxima de 2 [m2] y un diseño electrónico simple, el cual facilita la puesta en funcionamiento. A su vez se trabajó mucho para
que el costo sea el menor posible, no dejando de lado la calidad y robustez del sistema, como así también pensando en mano
de obra local, una premisa siempre presente en nuestros proyectos de Laboratorio.
El seguidor se está construyendo, se estima que a fines del mes de septiembre se podrán realizar las primeras mediciones y
obtener así datos de eficiencia.
REFERENCIAS
Hugo Grossi Gallegos, Raúl Righini, Carlos Raichijk (2010). VII Curso del Aprovechamiento Energético de la Radiación
Solar. Universidad Nacional de Luján.
V. M. Faires. Diseño de Elementos de Máquinas (4ta edición). Montaner y Simon S.A. Barcelona.
Freescale (2009). Datasheet MC9S08JM60, Rev.3
ABSTRACT
The purpose of this paper is a description of a economic single axis solar tracker for performance improvement in winter in
rivers areas. It is known that argentine river areas is not characterized by excellent levels of solar radiation which is also
greatly disturbed by climatic variations (cloudiness, rainfall, etc). It is also known, that there are vast areas with no mains.
Setting an optimum angle for that season of the year and obtaining azimuth motion (east-west), it is possible to increase the
performance of the panel. The daily motion sensing is not based from the position of the sun, it is an estimate of it by means
of calculations made by the system controller.
Keywords: solar tracker, solar day, microcontroller (MCU).
04.47