Prototipo fotovoltaico con seguimiento del Sol para procesos

cenidet
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
Coordinación de Mecatrónica
Tesis de Maestría en Ciencias
Prototipo fotovoltaico con seguimiento
del Sol para procesos electroquímicos
Presentada por
Ing. Mecánico José Beltrán Adán
Como requisito para obtención del grado de:
Maestro en Ciencias en Ingeniería Mecatrónica
Directores de Tesis:
Dr. Carlos Daniel García Beltrán
M.C. Jose Luís González Rubio Sandoval
Jurado:
M.C. Wilberth Melchor Alcocer Rosado
Dr. Jorge Aguirre Romano
Dr. Alberto Álvarez Gallegos
Cuernavaca, Morelos, México.
Noviembre de 2007
Dedicatoria:
A mis padres, que mostraron un entusiasmo sin igual a lo largo de
esta aventura, festejando como suyos los logros obtenidos y sufriendo
los tropiezos a la par, espero disfruten este logro tanto como yo.
José Beltrán Adán
Agradecimientos:
A mis padres, por su apoyo incondicional y entusiasmo compartido. Por los esfuerzos y
sacrificios realizados.
A mis hermanos, por su alegría y cariño, por conformar esa maravillosa familia que
tenemos y ha sido el mejor respaldo y motivación.
A mi tía Juana, el Tello y Yazmín, por haberme soportado tanto tiempo, nunca les
terminaré de agradecer lo que hicieron por mi y espero algún día poder retribuirles.
A mi familia, que siempre mostró interés y preocupación, por los ofrecimientos de apoyo,
pero sobre todo por la confianza que siempre me demostraron.
A mis compañeros de maestría, por compartir sus conocimientos, por su ayuda y por los
momentos tan agradables que pasamos juntos.
A los profesores del CENIDET, por sus enseñanzas y sugerencias, su apoyo y amistad.
José Beltrán Adán
Resumen
Este trabajo presenta el desarrollo de un sistema fotovoltaico con seguidor solar para
alimentación de energía a procesos de electrólisis. Su desarrollo se baso en la aplicación
específica y se le añadió un seguidor solar para mejorar su eficiencia. Para el diseño del
seguidor solar se realizo un estudio detallado de las características de los módulos
fotovoltaicos para conocer de manera previa la ganancia que se podía obtener con el
seguidor solar y la energía que producen. En base al análisis de las características y
funcionamiento de los diferentes seguidores solares en el mercado se determinó cual de
ellos presenta el mejor rendimiento a lo largo del año. Se diseñaron y construyeron los
componentes específicos que requirió el sistema de acuerdo a la aplicación. Finalmente se
realizaron pruebas de funcionamiento del sistema con lo que se obtuvo un panorama
general de su rendimiento bajo distintas condiciones y época del año y se demostró que
resulta adecuado como alimentación de la aplicación específica.
Palabras claves: sistema fotovoltaico, seguidor solar
Abstract
This work shows the development of a photovoltaic system with a sun tracker as
energy supply to processes electrolysis. Its was based on the specific application and a sun
tracker was added to improve its efficiency. For the design of the sun tracker was
conducted a detailed study of the characteristics of photovoltaic modules to know how
much energy would be produced and the expected improvement. Based on the analysis of
the characteristics and performance of the different sun trackers in the market was
determined which of them has the best performance over the year. It was designed and built
specific components requiring the system according to the application. Finally functioning
tests were of the system which got an overview of its performance under different
conditions and time of the year and showed that it is right to supply to the specific
application.
Keywords: photovoltaic system, sun tracker
Contenido
Lista de Figuras........................................................................................................ i
Lista de Tablas ........................................................................................................ v
Nomenclatura ........................................................................................................ vii
CAPÍTULO I Introducción ................................................................................................ 1
1.
El Sol como Fuente de Energía..................................................................... 2
2.
Sistema Fotovoltaico ..................................................................................... 3
4.
3.1.
Transformación de la energía, Módulos fotovoltaicos ............................... 4
3.2.
Almacenamiento de la energía, Controlador de Carga y Baterías ............ 5
3.3.
Aprovechamiento de la energía, convertidores CD-CD e inversores ........ 7
3.4.
Eficiencia de los sistemas fotovoltaicos .................................................... 7
Objetivos de la tesis....................................................................................... 9
5.1.
Objetivo general ........................................................................................ 9
5.2.
Objetivos Específicos................................................................................ 9
5.3.
Planteamiento del Problema ..................................................................... 9
5.4.
Hipótesis de trabajo ................................................................................ 10
5.5.
Descripción del documento..................................................................... 10
CAPÍTULO II Fundamentos Teóricos ............................................................................ 11
1.
Energía Solar Fotovoltaica .......................................................................... 11
1.1.
Fenómeno fotovoltaico............................................................................ 12
1.2.
Modelado de la Celda Fotovoltaica (PV)................................................. 13
1.2.1.
Circuito eléctrico equivalente ........................................................... 14
1.2.2.
Modelo Matemático de una celda PV .............................................. 16
1.2.3.
Solución de la ecuación I-V ............................................................. 19
1.2.4.
Evaluación de las pérdidas internas de la celda PV ( RS )................. 22
1.2.5.
Potencia eléctrica y rendimiento ...................................................... 23
Contenido
2.
El Seguidor Solar ......................................................................................... 23
2.3.
Movimientos del planeta con respecto al Sol .......................................... 24
2.3.1.
La hora solar .................................................................................... 26
2.4.
Ubicación de la trayectoria solar ............................................................. 27
2.5.
Tipos de seguidores solares ................................................................... 30
2.5.1.
Seguidor solar pasivo ...................................................................... 30
2.5.2.
Seguidores solares activos .............................................................. 32
CAPÍTULO III Diseño del seguidor Solar ................................................................... 35
1.
Selección del tipo de seguidor ................................................................... 36
1.1.
Comparación de los seguidores solares ................................................. 36
1.1.1.
Vector normal y Algoritmo de control ............................................... 37
1.1.2.
Rendimiento de los seguidores solares ........................................... 40
2.
Acotación del ángulo de seguimiento........................................................ 42
3.
Diseño de la estructura del seguidor ......................................................... 43
4.
3.1.
Selección del actuador............................................................................ 43
3.2.
Diseño del seguidor ................................................................................ 44
Determinación de las fuerzas en el seguidor ............................................ 47
4.1.
Velocidad del viento ................................................................................ 47
4.2.
Presión del viento.................................................................................... 48
4.3.
Empujes dinámicos paralelos al viento ................................................... 48
5.
Análisis de los esfuerzos en la estructura................................................. 50
6.
Control del seguidor .................................................................................... 52
7.
6.1.
Diseño de la tarjeta de control del seguidor ............................................ 52
6.2.
Diseño del sistema de control ................................................................. 54
Construcción del prototipo ......................................................................... 55
CAPÍTULO IV Diseño del sistema de potencia y monitoreo..................................... 57
1.
Sistema de Potencia .................................................................................... 58
1.1.
Requerimientos del Regulador CD-CD ................................................... 58
1.2.
Selección y configuración del regulador.................................................. 59
2.
Sistema de Monitoreo .................................................................................. 60
2.1.
Medición del Voltaje ............................................................................... 61
2.2.
Medición de la Corriente ........................................................................ 61
2.3.
Interfaz de monitoreo .............................................................................. 63
CAPÍTULO V Integración y Pruebas del sistema ...................................................... 65
1.
Integración del sistema ............................................................................... 66
2.
Pruebas y resultados del sistema .............................................................. 68
2.1.
Pruebas y resultados de los componentes ............................................. 69
2.1.1.
Seguidor solar.................................................................................. 69
2.1.2.
Sistema de potencia ........................................................................ 75
2.1.3.
Sistema de monitoreo ...................................................................... 79
2.1.4.
Pruebas al subsistema de almacenamiento de energía .................. 80
2.2.
Sistema completo.................................................................................... 81
Conclusiones y trabajos futuros........................................................................ 85
1.
Conclusiones................................................................................................ 85
2.
Mejoras y trabajos futuros .......................................................................... 87
Bibliografía........................................................................................................... 89
Anexo A
Electrólisis y energía Solar ....................................................... 93
Anexo B
Manual de operación del prototipo .......................................... 97
Anexo C
Costo del prototipo.................................................................. 103
Anexo D
Dibujos técnicos del seguidor solar ...................................... 105
Lista de Figuras
Descripción
Pág.
Figura 1.- Recurso solar a nivel mundial................................................................................ 2
Figura 2.- Diagrama a Bloques de un Sistema Fotovoltaico .................................................. 4
Figura 3.- Formación de Módulos fotovoltaicos [Rodríguez, 2004]..................................... 4
Figura 4.- Diagrama a bloques del funcionamiento del Regulador de Carga......................... 6
Figura 5.- Eficiencia de un sistema fotovoltaico [Sandia, 2007]............................................ 8
Figura 6.- Diagrama básico de una celda o célula fotovoltaica........................................... 13
Figura 7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003]........................................ 14
Figura 8.- Esquemático de la celda PV [Townsend, 1989] .................................................. 15
Figura 9.- Circuito Eléctrico equivalente de la celda PV [Eckstein, 1990].......................... 15
Figura 10.- Factor de llenado................................................................................................ 19
Figura 11.- Movimiento de Rotación de la Tierra ................................................................ 24
Figura 12.- Movimiento de Traslación de la Tierra.............................................................. 25
Figura 13.- Variación en la declinación por efecto del movimiento de traslación............... 26
Figura 14.- Hora solar........................................................................................................... 27
Figura 15.- Ubicación de un punto en la Tierra.................................................................... 28
Figura 16.- Ubicación del Sol............................................................................................... 29
Figura 17.- Seguidor Pasivo, primera etapa ......................................................................... 31
Figura 18.- Seguidor Pasivo, segunda etapa......................................................................... 31
Figura 19.- Seguidor Pasivo, tercer etapa............................................................................. 32
Figura 20.- Seguidor solar de un eje azimutal ...................................................................... 33
Figura 21.- Seguidor solar de un eje horizontal ................................................................... 33
Figura 22.- Seguidor solar de un eje polar ........................................................................... 34
Figura 23 Seguidor solar de dos ejes .................................................................................... 34
Figura 24.- Vector de trayectoria del Sol ............................................................................. 36
Figura 25.- Vector normal al plano, seguidor azimutal........................................................ 37
Figura 26.- Ángulo de control en el seguidor horizontal...................................................... 38
Figura 27.- Vector normal al Plano, seguidor horizontal ..................................................... 39
Figura 28.- Generación de energía mensual con y sin seguidor solar .................................. 40
Figura 29.- Rendimiento de seguidores solares.................................................................... 41
i
Descripción
Pág.
Figura 30.- Acotación del periodo de seguimiento............................................................... 42
Figura 31.- Acotación del ángulo de seguimiento................................................................ 43
Figura 32.- Actuador del seguidor solar ............................................................................... 44
Figura 33.- Poste de soporte y eje de altura.......................................................................... 45
Figura 34.- Solución al ángulo de altura............................................................................... 45
Figura 35.- Solución al ángulo de azimut............................................................................. 46
Figura 36.- Soporte de los módulos...................................................................................... 46
Figura 37.- Sujeción de los módulos y del actuador ............................................................ 47
Figura 38.- Fuerzas en la estructura de los módulos ............................................................ 50
Figura 39.- Diagrama de momentos y fuerzas cortantes ...................................................... 51
Figura 40.- Componentes del sistema de control ................................................................. 53
Figura 41.- Diagrama esquemático del hardware de control................................................ 53
Figura 42.- Diagrama de Flujo del software de control........................................................ 55
Figura 43.- Seguidor solar .................................................................................................... 56
Figura 44.- Regulador Lineal, configuración básica [LT1083]] .......................................... 59
Figura 45.- Eliminación del voltaje de referencia [LM317]................................................. 60
Figura 46.- Regulador de Voltaje 0 - 10 V 6A ..................................................................... 60
Figura 47.- Puntos de Monitoreo en el sistema .................................................................... 61
Figura 48.- Sensor de efecto Hall [ACS712]........................................................................ 62
Figura 49.- Sensado de Corriente ......................................................................................... 62
Figura 50.- Diagrama de flujo de la interfaz de monitoreo .................................................. 63
Figura 51.- Interfaz de Monitoreo ........................................................................................ 64
Figura 52.- Sistema Fotovoltaico Completo desarrollado............................................... 66
Figura 53.- Panel de control del sistema .............................................................................. 68
Figura 54.- Análisis para la medición del ángulo de error ................................................... 70
Figura 55.- Patrón de medición del ángulo de error ............................................................. 70
Figura 56.- Componentes de la sombra proyectada ............................................................. 71
Figura 57.- Resultados de la prueba de resolución del seguidor .......................................... 72
Figura 58.- Prueba de ganancia con el seguidor................................................................... 72
Figura 59.- Medición del rendimiento del seguidor ............................................................. 73
Figura 60.- Comparación de resultados del rendimiento del seguidor solar ........................ 74
Figura 61.- Resultados de la prueba de estabilidad del regulador de voltaje ....................... 75
Figura 62.- Resultados de la prueba de cambios en la demanda de corriente ...................... 76
ii
Figura 63.- Cálculo de la eficiencia del regulador de voltaje............................................... 77
Figura 64.- Pérdidas en el regulador de voltaje .................................................................... 78
Figura 65.- Comportamiento de los módulos en días nublados ........................................... 82
Figura 66.- Rendimiento general del sistema ....................................................................... 83
Figura 67.- Variación de la conductividad con la concentración ......................................... 94
Figura 68.- Comportamiento de la corriente en función del voltaje.............................. 95
Figura 69.- Diagrama del Panel de control........................................................................... 97
Figura 70.- Pantalla principal de la interfaz de monitoreo ................................................. 100
Figura 71.- Pantalla de captura de datos de la interfaz de monitoreo................................. 100
iii
Lista de Tablas
Descripción
Pág.
Tabla 1.- Características de los diferentes tipos de Módulos Fotovoltaicos .......................... 5
Tabla 2.- Información requerida para resolver el modelo de la celda PV ............................ 20
Tabla 3.- Componentes del sistema desarrollado ................................................................. 67
Tabla 4.- Resultados de las pruebas al seguidor solar .......................................................... 74
Tabla 5.- Rendimiento del sistema en distintas condiciones de operación .......................... 83
Tabla 6.- Energía suministrada al proceso por el sistema .................................................... 84
v
Nomenclatura
Símbolo
Descripción
A
Coeficiente de calidad del diodo
as
Ángulo de azimut del Sol
B
Factor de excitación de fondo
Ce
Factor correctivo por exposición
CP
Coeficiente local de presión
C1, C 2, C 3
Capacitores
cSi
Módulo PV monocristalino
c
Distancia al eje neutro
D
Factor de difusión del diodo
D1
Diodo
d
Ángulo de declinación de la Tierra
ET
Ecuación del tiempo
F
Fuerza aplicada
Fα
Factor de corrección por la altura de la estructura
FR
Relación de energía en ráfaga
FTR
Factor de corrección por las características del terreno
FF
Factor de llenado
G
Factor de amplificación dinámica
GE
Conductividad electrolítica
g
Factor de respuesta máxima
H
Altura de la estructura
h
Ángulo de altura del Sol
hs
Hora de referencia
Im
Momento de inercia
I
Corriente
vii
Símbolo
Descripción
ID
Corriente en el diodo
IL
Corriente debida al efecto fotovoltaico
I L ,ref
Corriente debida al efecto fotovoltaico de referencia
I MP
Corriente en el punto de máxima potencia
I MP , ref
Corriente en el punto de máxima potencia de referencia
I sc
Corriente de corto circuito
I sc ,T2
Corriente de corto circuito a temperatura ambiente
I sc ,ref
Corriente de corto circuito de referencia
io
Corriente en la curva I-V
k
Constante de Boltzmann
L
Longitud del lugar
LI
Longitud del tiempo
l
Distancia entre los electrodos
M
Momento
M max
Momento máximo
N
Día consecutivo del año
NCS
Numero de celdas conectadas en serie
NS
Numero de módulos conectados en serie
no
Frecuencia del modo fundamental de la estructura
P
Potencia
Pz
Presión del viento sobre una superficie
PMP
Punto de máxima potencia
PN
Juntura en el diodo
PV
Fotovoltaico
pSi
Módulo PV policristalino
q
Constante de carga del electrón
R
Factor de rugosidad
Rcarga
Resistencia de la carga del sistema
viii
Símbolo
Descripción
Rs
Resistencia en serie
Rs ,ref
Resistencia en serie de referencia
Ra , Rb , Rc , Rd Reacciones en la estructura
RV 1
Resistencia variable
R1,.., R6
Resistencias eléctricas
S
G
s
JJG
sa
JJG
sh
JJG
sp
Factor de reducción por tamaño
Vector de dirección del seguidor azimutal
TC
Temperatura de la celda fotovoltaica
TC ,ref
Temperatura de la celda fotovoltaica de referencia
Tref
Temperatura de referencia
T2
Temperatura ambiente
TC
Tiempo civil
TS
Tiempo solar
t
Tiempo de energía disponible
V
Voltaje
VD
Velocidad de diseño
Vin
VMP
Voltaje de entrada
Voltaje en el punto de máxima potencia
Voc
Voltaje de circuito abierto
Vout
Voltaje de salida
VR
Velocidad de la región
v
Variable auxiliar
vo
Voltaje en la curva I-V
X
Ángulo de desviación
Λ
Variable auxiliar
Vector de dirección de los rayos solares
Vector de dirección del seguidor horizontal
Vector de dirección del seguidor polar
ix
Símbolo
Descripción
α
Ángulo entre los rayos solares y la normal de la superficie de los módulos
β
Fracción del amortiguamiento critico
Φ
Irradiación solar
Φ ref
Irradiación solar de referencia
θ
Ángulo de inclinación del seguidor
μisc
Coeficiente de temperatura en corto circuito
γ
Factor de forma
εg
Voltaje del diodo
φ
Ángulo de seguimiento del seguidor horizontal
ϕ
Ángulo de seguimiento del seguidor polar
η
Eficiencia de una celda PV
ηf
Eficiencia de la celda PV corregida
ρ
Resistividad de la sustancia electrolítica
σ
Esfuerzo a flexión
x
CAPÍTULO I
Introducción
El desarrollo de la humanidad a través de la historia esta ligado de manera muy
significativa al tipo de energía utilizada y sus formas de aprovechamiento. Existen incluso
teorías que posicionan a la energía como eje principal del desarrollo humano, como la
expuesta por Leslie White: “La historia de la civilización es la del dominio de las fuerzas
de la naturaleza por medios culturales, de tal forma que la cultura evoluciona conforme
aumenta la energía aprovechada per cápita en un período dado y la eficiencia de los
medios instrumentales para servirse de ella” [Cunningham, 2003].
El modelo energético actual a base de combustibles fósiles como principal fuente,
genera un gran impacto ambiental y no es sustentable debido a que, para satisfacer las
demandas de energía actuales, compromete la integridad de las futuras generaciones. Por
lo que se hace necesario establecer un nuevo modelo energético que sea sustentable en el
que las energías renovables sean el eje de desarrollo. Las fuentes de energía renovables
tienen un ciclo de regeneración mayor al de consumo, por lo que son inagotables. El Sol es
el origen de todas las energías renovables presentes en la Tierra [Merino, 2007].
Actualmente la tecnología de las energías renovables aún se encuentra en una etapa
de desarrollo con el objetivo final de lograr que la energía producida compita
económicamente con la generada por las fuentes de energía no renovables [Hollander,
2003]. En particular para la energía solar fotovoltaica el desarrollo se centra principalmente
en mejorar su eficiencia y garantizar un almacenamiento adecuado de la energía producida
[Luque, 2003], problemas sobre los cuales se enfoca este trabajo de tesis.
1
cenidet
Capítulo I
Introducción
1. El Sol como Fuente de Energía
El Sol es la fuente principal de energía del planeta, la temperatura y presión en el
interior del Sol da origen a reacciones nucleares que liberan enormes cantidades de energía
que llega al planeta de forma directa o difusa reflejada en las partículas de la atmósfera, en
las nubes y demás objetos en el ambiente [Clark, 2004]. La disponibilidad de esta energía
depende de la ubicación geográfica del lugar en donde se quiera aprovechar, en la Figura 1
se pueden observar los lugares en donde existe un mayor potencial de la energía solar para
su aprovechamiento [Loster, 2006].
Figura 1.- Recurso solar a nivel mundial
La forma en que esta energía se transforma, almacena y se utiliza da origen a las
formas de energía existentes en el planeta de manera natural:
•
Biomasa.- La fotosíntesis en las plantas les provee de alimento.
•
Energía hidráulica.- El ciclo del agua es ordenado por el Sol.
•
cenidet
2
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
•
Energía eólica.- El calentamiento del aire da origen a las diferencias de
presión que provoca los vientos.
•
Corrientes marinas. La diferencia de temperatura en los mares da origen a
este movimiento.
Sin embargo la energía disponible de manera natural resulta insuficiente para las
necesidades energéticas actuales,
por lo que se han desarrollado tecnologías de
aprovechamiento directo de la energía proveniente del Sol:
•
Energía solar térmica.- Se aprovecha el calor generado por la radiación solar
para el calentamiento de superficies, líquidos o gases y su aplicación en
bombas de calor.
•
Energía solar fotovoltaica.- Se transforma la luz solar directamente en
energía eléctrica.
La energía solar fotovoltaica presenta el beneficio de que se consigue energía
eléctrica directamente sin necesidad de aditamentos adicionales como en la solar térmica,
por lo que se hace más interesante su desarrollo en la actualidad donde la mayor parte de
los dispositivos funcionan con energía eléctrica.
2. Sistema Fotovoltaico
La energía proveniente del Sol que un objeto en la Tierra puede aprovechar es
variable y difícil de prever de manera exacta ya que es afectada por factores ambientales y
la fuente de energía se encuentra en un movimiento relativo constante, por lo que es
conveniente la adición de elementos para su mejor aprovechamiento, un sistema
fotovoltaico básico consta de la transformación de la energía solar en eléctrica, un sistema
de almacenamiento para lograr un abastecimiento constante y finalmente el
aprovechamiento de la energía producida, Figura 2.
3
cenidet
Capítulo I
Introducción
Energía Solar
Transformación
Almacenamiento
Aprovechamiento
Figura 2.- Diagrama a Bloques de un Sistema Fotovoltaico
3.1. Transformación de la energía, Módulos fotovoltaicos
Los encargados de transformar la energía solar en energía eléctrica son los módulos
formados por celdas fotovoltaicas. La celda es el elemento más pequeño de los sistemas
fotovoltaicos, con potencias eléctricas típicas de 1.5 W (0.5 V, 3 A).
Para obtener
potencias mayores las celdas son conectadas en serie o en paralelo, formando módulos (con
potencias típicas del orden de los 50 a 100 W) y paneles fotovoltaicos (>100W) [Castro,
2004], Figura 3.
Terminales
(parte posterior)
Marco de
aluminio
1
2
3
4
2
Interconexión
de las celdas
-
3
-
+
4
+
9x4=36 celdas
componen
el
modulo
5
6
Celda solar
7
8
9
Figura 3.- Formación de Módulos fotovoltaicos [Rodríguez, 2004]
La característica principal de un módulo fotovoltaico es la eficiencia en la
conversión de energía que está determinada por el tipo de material y tecnología utilizada en
su fabricación. Actualmente el mayor desarrollo se ha llevado a cabo en las células que
utilizan el silicio como semiconductor debido a su bajo costo, de este desarrollo se obtienen
tres tipos diferentes de módulos fotovoltaicos actualmente en el mercado [PV-TRAC,
2005], Tabla 1.
cenidet
4
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
La diferencia observada entre el rendimiento de laboratorio y el de campo recae en
que la fabricación de los primeros se realiza de manera mas controlada.
Tabla 1.- Características de los diferentes tipos de Módulos Fotovoltaicos
Módulo
Eficiencia
Laboratorio
Campo
Fabricación
Azul
A partir de
silicio
puro
fundido
y
dopado
de
Boro
Distintos
tonos de
azul
Igual que el
monocristalino
pero
menor
número
de
fases
de
cristalización
58%
Marrón
Se deposita
como lámina
delgada sobre
un sustrato
10%
Monocristalino
cSi
24%
15-18%
Policristalino
pSi
19-20%
12-14%
16%
Menor al
10%
%
Mercado
Color
32%
Amorfo
La energía obtenida a través de los módulos fotovoltaicos es energía eléctrica de
corriente directa que puede ser utilizada de manera directa o bien almacenada para su uso
en periodos de menor o nula incidencia de radiación.
3.2. Almacenamiento de la energía, Controlador de Carga y Baterías
La capacidad de un sistema fotovoltaico de producir y almacenar energía de manera
adecuada lo convierte en una fuente de energía confiable y constante aun cuando exista
nubosidad, lluvia o sea de noche. La confiabilidad del sistema dependerá de una selección
adecuada de los componentes para la producción de energía y su almacenamiento.
5
cenidet
Capítulo I
Introducción
En un sistema fotovoltaico la parte de acumulación de energía consta de dos
componentes, el regulador de carga de las baterías y las baterías. El regulador de carga es
un dispositivo que evita la sobrecarga y descarga total de las baterías desconectándolas
cuando llegan a un punto de control, busca el punto de mayor eficiencia de los paneles
fotovoltaicos, provee el régimen de carga más apropiado de acuerdo al tipo de batería,
administra la energía que se está generando enviándola directamente a la carga y el resto a
la batería cuando la energía generada es mayor a la demandada, todo esto con el fin de
evitar daños en la batería y prolongar su vida útil, Figura 4.
Regulador
de Carga
Figura 4.- Diagrama a bloques del funcionamiento del Regulador de Carga
La batería es la encarga de acumular la energía mientras ésta no sea utilizada y es el
único elemento en el sistema fotovoltaico que necesita mantenimiento. Existen diferencias
entre las baterías automotrices y las baterías utilizadas en sistemas fotovoltaicos, las
primeras tienen como objetivo principal el arranque del vehículo, se diseñan para
proporcionar valores de corriente altos, aproximadamente 1000 Amperes, por periodos
cortos de tiempo con una recarga posterior inmediata durante el funcionamiento del
vehículo.
Las baterías para sistemas solares son diseñadas para entregar una potencia
constante por periodos largos de operación sin recarga, determinan su calidad por la
cantidad de energía que son capaces de acumular y la profundidad de descarga, o mejor
dicho el porcentaje de energía del total que es capaz de entregar de manera cíclica sin
ocasionar daños a la batería, cercano al 80%, por lo que son denominadas baterías de ciclo
profundo [Chávez, 2005].
cenidet
6
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
De manera comercial las baterías para sistemas solares tienen un valor promedio de
corriente máxima de 250 Ah, lo que significa que podrán mantener un periodo de descarga
de 20 horas a su voltaje nominal (12 V) proporcionando 12.5 A (250 Ah / 20 h) y tener al
final el 20% de su carga total aun en reserva. Mientras que las baterías de mejor calidad
para automóvil proporcionan 60 Ah [Markvart, 2000].
La diferencia en requerimientos hacia cada batería genera características diferentes
en su fabricación. En las baterías automotrices lo importante es tener una baja densidad de
corriente (A/cm2) para minimizar la caída de voltaje en el arranque del automóvil, por ello
se usan placas de plomo esponjoso en su construcción, en las baterías solares se necesita
una mayor cantidad de material activo (plomo) para alargar su vida útil lo que las vuelve
más pesadas y costosas.
3.3. Aprovechamiento de la energía, convertidores CD-CD e inversores
Los requerimientos de la carga eléctrica conectada al sistema fotovoltaico
determinan el uso de un convertidor CD-CD o un inversor a la salida. Un convertidor CDCD convierte el voltaje del sistema en otro voltaje de acuerdo a las características de la
carga pero la salida sigue siendo de corriente continua (CD), su uso sólo es necesario
cuando el voltaje requerido por la carga difiere del voltaje del banco de baterías. Un
inversor convierte la salida de corriente continua en corriente alterna (CA) para permitir el
uso de aplicaciones de CA comunes o la conexión del sistema a la red eléctrica. Cuando un
sistema fotovoltaico es conectado a la red eléctrica no es necesario el uso de las baterías ni
el controlador de carga [Sick, 1996].
3.4. Eficiencia de los sistemas fotovoltaicos
La eficiencia de un sistema fotovoltaico depende de la eficiencia de sus
componentes, la Figura 5 nos muestra la mejor eficiencia de los componentes del sistema
actualmente [Sandia, 2007].
7
cenidet
Capítulo I
Introducción
Con la adición de cada componente se presentan más pérdidas, por lo que un
sistema conectado a la red será más eficiente que un sistema aislado que cuente con
almacenamiento de energía.
Inversor
96%
100%
Módulos
Fotovoltaicos
18%
Regulador de
Carga
97%
Inversor
96%
Baterías
90%
Convertidor
CD-CD
95%
17.2%
15.0%
14.9%
Figura 5.- Eficiencia de un sistema fotovoltaico [Sandia, 2007]
Se observa que el componente más crítico son los paneles fotovoltaicos, con una
eficiencia muy baja y afectada por las condiciones de operación. Se desea entonces que las
condiciones de operación sean las óptimas, puesto que no es posible actuar sobre las
condiciones climáticas queda la opción de corregir la orientación de los paneles con
respecto al Sol, tendencia que se conserva en los nuevos desarrollos donde se ha obtenido
en laboratorio una eficiencia de 42.8% [VHESC, 2007] pero con la utilización necesaria de
un seguidor solar.
Las baterías presentan una buena eficiencia pero tienen el inconveniente de ser
pesadas y voluminosas, características que se vuelven críticas si la energía producida se
utiliza en aplicaciones móviles, por lo que se están desarrollando nuevas formas de
almacenar y transportar la energía producida por sistemas solares, como producción de
energía química obteniendo hidrógeno por electrólisis directamente de un sistema solar
[Rzayeva, 2001].
cenidet
8
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
4. Objetivos de la tesis
5.1. Objetivo general
Especificar, diseñar y desarrollar un prototipo de energía fotovoltaico con seguidor
del Sol para un proceso de generación de electrólisis. Contar con un prototipo funcional a
escala real de un sistema de alimentación fotovoltaico con capacidades de seguimiento del
movimiento relativo del Sol, de monitoreo, procesamiento y control para el sistema
especificado y la documentación adecuada del desarrollo.
5.2. Objetivos Específicos
•
Establecer las especificaciones de diseño y de pruebas del dispositivo
mecatrónico que satisfaga los requerimientos del sistema.
•
Diseñar, construir, probar y poner en marcha un dispositivo seguidor del
movimiento relativo solar capaz de soportar los módulos fotovoltaicos.
•
Realizar el acoplamiento de energía entre el módulo solar, el módulo de
almacenamiento de energía y el sistema de electrólisis.
•
Establecer los requerimientos del módulo regulador de energía.
5.3. Planteamiento del Problema
El funcionamiento de un módulo solar presenta un desempeño variado a lo largo del
día afectado, entre otros factores, por los ángulos que presente con respecto al Sol, causado
por el movimiento de rotación de la Tierra y a lo largo del año este ángulo también es
afectado por el movimiento de traslación. Por lo que si se quiere mejorar la eficiencia de un
módulo fotovoltaico se debe controlar el valor de estos ángulos. La eficiencia del sistema
también está ligada a los componentes presentes en el sistema, y a su correcta interacción
entre ellos.
9
cenidet
Capítulo I
Introducción
5.4. Hipótesis de trabajo
Se obtendrá una mejora en el aprovechamiento de la energía solar a través de
módulos fotovoltaicos si el ángulo de la normal de la superficie de los módulos con
respecto a la incidencia de los rayos solares es disminuido y si además los componentes en
el sistema interactúan de manera adecuada.
5.5. Descripción del documento
En el capítulo II se presentan los fundamentos teóricos para la resolución del
problema planteado, se muestran las ecuaciones que describen el funcionamiento de la
generación de energía eléctrica por medio de módulos fotovoltaicos y se analiza por que y
cómo determinar la posición relativa del sol con respecto a un punto en la tierra y se
presentan las opciones de solución a este problema.
En el capitulo III se muestra el diseño y desarrollo de la parte del seguidor solar en
base del análisis realizado previamente y tomando en cuenta las características del lugar de
emplazamiento y los componentes en esta parte del sistema.
En el capitulo IV se aborda el diseño de la etapa de potencia para uso en la
aplicación especifica y el desarrollo del hardware y software para el monitoreo del sistema.
En el capitulo V se realiza la integración de todos los componentes del sistema tanto
los desarrollados y diseñados así como los adquiridos de manera comercial.
Finalmente se presentan las pruebas y resultados obtenidos de la evaluación del
funcionamiento del sistema así como el análisis y conclusiones de las mismas y se plantean
ciertas recomendaciones para mejorar el trabajo realizado.
cenidet
10
CAPÍTULO II
Fundamentos
Teóricos
El estudio de la teoría inherente al sistema fotovoltaico y seguidores solares sirve
como base de diseño para determinar condiciones iniciales de diseño. El entendimiento de
las ecuaciones que describen la generación de energía fotovoltaica permiten determinar de
manera numérica un aproximado de la energía que se puede producir con el sistema
instalado.
El estudio de las causas del movimiento relativo del sol sirve para comprender su
naturaleza, funcionamiento y características para soportar la selección y diseño del seguidor
solar y su volumen de trabajo.
La información sobre los seguidores solares comerciales establece un parámetro de
partida en el diseño y explora las soluciones actuales a este problema.
1. Energía Solar Fotovoltaica
La energía solar fotovoltaica es la energía eléctrica producida por ciertos materiales
al exponerlos a la luz solar, la cantidad de energía producida es proporcional al flujo
luminoso que reciben. A la transformación de la energía luminosa directamente en energía
eléctrica se le conoce como efecto fotovoltaico, fenómeno descubierto por el físico francés
Edmund Becquerel en 1839, y sobre el cual está basada la tecnología fotovoltaica.
11
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
1.1. Fenómeno fotovoltaico
El fenómeno fotovoltaico se da a nivel atómico al incidir un fotón en el enlace entre
dos átomos y romperlo, para que se logre esta ruptura en el enlace con poca energía es
necesario que el átomo sea inestable, esto es, que tenga incompleta su banda de valencia y
el número de electrones ahí contenidos sea diferente de ocho. Los materiales que presentan
esta característica en sus átomos son los semiconductores. En un semiconductor puro la
corriente producida por el movimiento de los electrones es insignificante debido al bajo
valor de portadores libres, por lo que se le añaden impurezas al material para aumentar los
portadores libres, el nuevo material obtenido es llamado semiconductor extrínseco
[Wolfgang, 1992].
De acuerdo a la impureza introducida en el material semiconductor se obtienen
materiales semiconductores tipo N con un mayor número de electrones libres y materiales
tipo P con un mayor número de cargas positivas o huecos. Si se coloca un material tipo N
junto a un material tipo P, la zona de contacto tiende a equilibrarse moviéndose los
electrones libres del material tipo N a los huecos del material tipo P, por este movimiento
de electrones el material tipo N se hace positivo y el material tipo P negativo existiendo una
diferencia de potencial separada por la zona de juntura llamada barrera de potencial
[Seeger, 2004].
La condición de equilibrio establecida en el material semiconductor por la juntura
PN se mantiene estable hasta el momento en que el material N es expuesto a la luz, la
energía de los fotones, que coincide con el valor de la barrera de potencial, es absorbida por
el material y destruye el enlace de los electrones de valencia con el átomo, se provoca
entonces un movimiento caótico de electrones dentro del material. Si es conectada una
carga externa al material, los electrones fluyen del material y circulan por este circuito
externo liberando así la energía absorbida de los fotones, Figura 6, [Rodríguez, 2004].
cenidet
12
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 6.- Diagrama básico de una celda o célula fotovoltaica
No todo el espectro luminoso puede producir este fenómeno, depende del material
utilizado para fabricar el semiconductor que determinará la parte del espectro luminoso que
puede ser utilizada. [Gasquet, 2005]
1.2. Modelado de la Celda Fotovoltaica (PV)
El proceso de simulación del comportamiento de una celda PV se basa en su
equivalencia hacia un circuito eléctrico y su posterior representación matemática. La
característica más importante de una celda solar para su simulación eléctrica, es la
dependencia de la corriente que por ella circula en función de la tensión aplicada, para esto
se mantienen valores constantes de intensidad de la radiación incidente y de temperatura.
La curva determinada por esta relación se denomina curva I-V que se muestra en la Figura
7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003], donde se observa que a mayor
tensión aplicada la corriente disminuye.
Para maximizar la potencia generada por la celda se debe encontrar el punto (v0 ,i0 )
de la curva I-V tal que la potencia sea máxima, conociendo que la potencia eléctrica es
igual al producto del voltaje y la corriente se debe encontrar el punto en donde este
producto sea mayor. Este punto es llamado punto de máxima potencia (PMP) en el cual
dP dV = 0 [De soto, 2004]. Para un uso más eficiente de la celda PV se debe operar
siempre en el PMP que se logra usando el cargador de batería que lleve intrínseco un
seguidor de máxima potencia.
13
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Curva I-V
100
Isc
3
PMP
2
50
Potencia (W)
Corriente (A)
Imp
Curva de Potencia
1
2
0
2
4
6
8
10
12
Voltaje (V)
14
16
Vmp
18
20
Voc 0
22
Figura 7.- Curva I-V de una celda fotovoltaica [Berbeglia,2003]
Otros puntos de interés en la curva I-V son las intersecciones con los ejes. El punto
de la curva que corta al eje de tensión se denomina tensión de circuito abierto (VOC ) y
representa la máxima diferencia de potencial que puede generar la celda solar. El punto
sobre el eje de corriente es llamado corriente de corto circuito ( I SC ) , es decir la máxima
corriente que se puede obtener.
Al conectar varias celdas PV se puede obtener la curva I-V del sistema, sumando la
curva de cada elemento en serie o paralelo según corresponda. Al conectarlas en serie, la
tensión total resultante es igual a la suma de las tensiones de cada una de ellas mientras que
la corriente es la misma en todas, en la conexión en paralelo la corriente total es igual a la
suma de las corrientes individuales y el voltaje igual en todas.
1.2.1.
Circuito eléctrico equivalente
Para desarrollar un circuito equivalente de una celda PV, es necesario entender la
configuración física de los elementos de la celda y sus características eléctricas. La Figura
8, muestra los componentes presentes en una celda PV típica.
cenidet
14
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 8.- Esquemático de la celda PV [Townsend, 1989]
La juntura entre la capa N (red de carga negativa) y P (red de carga positiva) crea el
efecto de un diodo. Cuando la celda PV recibe la irradiación solar se obtiene una fuente de
corriente constante y las pérdidas eléctricas internas son representadas por una resistencia.
El circuito eléctrico equivalente es mostrado en la Figura 9.
Figura 9.- Circuito Eléctrico equivalente de la celda PV [Eckstein, 1990]
La fuente de corriente I L representa la corriente eléctrica generada debida a la
radiación luminosa incidente sobre la superficie activa de la celda (efecto fotovoltaico), la
corriente es unidireccional y es función de la radiación incidente, temperatura y voltaje. La
juntura P-N es representada por el diodo en paralelo con la fuente de corriente, que es
atravesado por una corriente interna unidireccional I D que depende de la tensión en las
terminales de la celda y la temperatura, la resistencia en serie RS representa las pérdidas
eléctricas internas en la celda.
Se podría introducir más complejidad al modelo con la adición de una resistencia en
paralelo al diodo que represente el efecto de la corriente resistiva a través del cristal. Pero
no es posible determinar su valor con los datos proporcionados por el fabricante.
15
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
[Townsend, 1989] por lo que se considera que tiende a infinito y por eso se omite del
esquema.
1.2.2.
Modelo Matemático de una celda PV
Aplicando la ley de voltajes de Kirchoffs al circuito de la Figura 9, para determinar
la corriente a través de la carga, se obtiene:
I = IL − ID
(1.1)
La corriente generada por el efecto fotovoltaico se relaciona con la irradiación y la
temperatura así como con los valores en condiciones de referencia a través de la siguiente
fórmula [Townsend, 1989]:
⎛ Φ
IL = ⎜
⎜Φ
⎝ ref
⎞
⎟ I L ,ref + μisc (TC − TC ,ref )
⎟
⎠
[
]
(1.2)
donde:
I L ,ref
Corriente generada de referencia [Amperes].
Φ, Φ ref
Irradiación, actual y en condiciones de referencia [W/m2].
TC ,TC ,ref
Temperatura de la celda, actual y en condiciones de referencia
[ºK].
μ isc
Coeficiente de temperatura de corto circuito[Amperes/ºK].
Es posible también estimar el valor del coeficiente de temperatura de corto circuito
para el caso en que no sea proporcionado por el fabricante por medio de la siguiente
ecuación:
μ ISC =
I SC ,T2 − I SC ,ref
(T
2
cenidet
16
− Tref )
(1.3)
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Donde T2 es la temperatura a la cual se requiere obtener el nuevo parámetro e Isc, es
la corriente de corto circuito a la temperatura de referencia y a la nueva temperatura. La
corriente a través del diodo esta dada por la ecuación de Shockley:
⎛ q (V + IRS ) ⎞
I D = I 0 ⎜ e γkTC − 1⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
(1.4)
donde:
V
Voltaje en las terminales [Volts].
I0
Corriente de saturación inversa [Amperes].
γ
Factor de forma.
RS
Resistencia en serie [Ohms].
q
Constante de carga del electrón, (1.602 ×10−19 [Coulombs ])
k
Constante de Boltzmann, (1.381×10−23 [ J / ° K ])
Entonces, la curva I-V es descrita por:
⎛ q(V + IRS ) ⎞
I = I L − I 0 ⎜ e γ kTC − 1⎟
⎜
⎟
⎝
⎠
(1.5)
La corriente de saturación inversa del diodo es:
− qε g
I 0 = D (TC ) e AkTC
3
(1.6)
donde:
D
Factor de difusión del diodo
εg
Voltaje del diodo 1.12 V para el silicio cristalino y 1.35 V para el
silicio amorfo.
A
Coeficiente de calidad del diodo, igual a 2 para silicio cristalino y <2
para silicio amorfo. [SNL, 2007]
17
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
La corriente de saturación inversa puede obtenerse también a través de una razón
entre la temperatura actual y la temperatura de referencia, de esta manera se elimina el
factor de difusión del diodo que se determina de manera experimental, la ecuación para
obtenerla es la siguiente:
⎡ T
I 0 = I 0,ref ⎢ C
⎢⎣ TC ,ref
3
⎡⎛ qε g ⎞⎛ 1
⎤
1 ⎞⎤
⎟⎟⎜
− ⎟⎥
⎥ exp ⎢⎜⎜
⎜
⎟
⎢⎣⎝ KA ⎠⎝ TC ,ref TC ⎠⎥⎦
⎥⎦
(1.7)
El factor de forma γ es una medida de la imperfección de la celda y es relacionado
con el coeficiente de calidad del diodo como γ = A × NCS × NS . NCS es el número de
celdas conectadas en serie por módulo. Un módulo es definido como un arreglo de celdas,
usualmente encapsuladas por protección. NS es el número de módulos conectados en serie.
Los cuatro parámetros desconocidos son I L , I 0 , γ , Rs se determinan a partir de los
datos proporcionados por el fabricante. El factor de forma y la resistencia en serie se
asumen constantes, I L es una función de la irradiación y la temperatura de la celda e I 0 es
una función de la temperatura solamente.
Un factor que describe la calidad de la curva I-V es el factor de llenado (FF):
FF =
VMP I MP
VOC I SC
(1.8)
Este factor es usado para comparar diferentes celdas PV bajo las mismas
condiciones de referencia. En términos gráficos, entre más cerca este el punto de potencia
máxima de la potencia obtenida con los puntos de cruce con los ejes, mejor será la celda
PV, esto es mostrado en la Figura 10.
cenidet
18
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
3.5
FF=1
Isc
3
Corriente (A)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
5
10
15
20
Voc
25
Voltaje (V)
Figura 10.- Factor de llenado
1.2.3.
Solución de la ecuación I-V
La ecuación I-V puede resolverse para una irradiación y temperatura de la celda
dadas por medio de los parámetros de referencia ( I L , I 0 , γ , RS ). La información necesaria
para resolver la ecuación es mostrada en la tabla 1.
La evaluación de los parámetros de la ecuación se realiza por medio de la
evaluación de la ecuación I-V en tres puntos de la curva:
En corto circuito
I = I sc V = 0
En circuito abierto
I =0
V = Voc
En máxima potencia
I = I MP
V = VMP
19
dP dVMP = 0
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Tabla 2.- Información requerida para resolver el modelo de la celda PV
Unidades
Φ ref
TC ,ref
W/m2
W/m2
K
TC
K
Temperatura de la celda
No
I SC , ref
A
Corriente de corto circuito, referencia
Sí
VOC ,ref
V
Voltaje de circuito abierto, referencia
Sí
I MP ,ref
A
Corriente en punto de máxima potencia, referencia
Sí
VMP , ref
NCS
V
1/módulo
A/K
V/K
Voltaje en punto de máxima potencia, referencia
Número de celdas en serie dentro del módulo
Coeficiente de temperatura de corriente en corto circuito
Coeficiente de temperatura de voltaje en circuito abierto
Sí
Sí
Sí
Sí
V
Voltaje del diodo
No
RS
Area
TA, NOCT
Ω
m2
K
Φ NOCT
W/m2
TC , NOCT
K
Resistencia en serie aparente
Área del módulo
Temperatura ambiente en condiciones de referencia
Irradiación para temperatura nominal de operación de la
celda (NOCT)
Temperatura de la celda en condiciones NOCT
Φ
μ ISC
μVOC
εg
Nombre
Proporciona
el
fabricante
Sí
No
Sí
Símbolo
Irradiación en la celda, referencia
Irradiación en la celda
Temperatura de la celda, referencia
Algunos
Sí
Sí
Sí
Sí
Si se usa la variable auxiliar:
v=
q
kTC ,ref
(1.9)
Se evalúa la ecuación (1.5) en los tres puntos de operación, obteniéndose el
siguiente sistema de ecuaciones:
⎡
R
⎛ vI
I SC ,ref = I L ,ref − I 0,ref ⎢exp ⎜ sc ,ref s
γ
⎝
⎣
⎞ ⎤
⎟ − 1⎥
⎠ ⎦
⎡
⎛ vV
0 = I L ,ref − I 0, ref ⎢exp ⎜ OC , ref
⎝ γ
⎣
cenidet
20
⎞ ⎤
⎟ − 1⎥
⎠ ⎦
(1.10)
(1.11)
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
I MP , ref = I L ,ref − I 0,ref
⎡
⎛ v (VMP ,ref + I MP ,ref RS , ref
⎢exp ⎜
⎜
γ
⎢⎣
⎝
) ⎞⎟ − 1⎤⎥
⎟
⎠
(1.12)
⎥⎦
Debido a que la resistencia en serie asociada a las pérdidas es muy pequeña
[Eckstein, 1990] se supone que en corto circuito toda la corriente generada por el efecto
fotovoltaico pasa por las terminales y la corriente que atraviesa el diodo es igual a cero,
siendo así, el segundo término después de la igualdad en la ecuación (1.10) es eliminado y
se tiene que I L , ref es igual a I sc ,ref .
Otra simplificación al sistema de ecuaciones es en el término -1 de las ecuaciones
(1.11) y (1.12), que se omite ya que el exponencial es mucho más grande que -1 para ambos
puntos de operación, el sistema se reduce entonces a:
I SC ,ref ≈ I L, ref
(1.13)
⎡
⎛ vV
0 ≈ I SC ,ref − I 0, ref ⎢exp ⎜ OC ,ref
⎝ γ
⎣
I MP ,ref ≈ I SC , ref − I 0,ref
⎞⎤
⎟⎥
⎠⎦
⎡
⎛ v (VMP , ref + I MP , ref RS ,ref
⎢exp ⎜
⎜
γ
⎢⎣
⎝
(1.14)
) ⎞⎟⎤⎥
⎟⎥
⎠⎦
(1.15)
Sustituyendo la ecuación (1.14) dentro de la ecuación (1.15) y resolviendo para γ
se tiene:
γ=
v (VMP ,ref + I MP ,ref RS − VOC , ref
⎛ I
ln ⎜1 − MP , ref
⎜ I SC ,ref
⎝
21
⎞
⎟⎟
⎠
)
(1.16)
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Entonces I 0,ref es obtenido sustituyendo γ en la ecuación (13):
⎡
⎛ −vVOC ,ref
I 0,ref ≈ I SC ,ref ⎢exp ⎜
γ
⎝
⎣
⎞⎤
⎟⎥
⎠⎦
(1.17)
Cada parámetro es evaluado para las condiciones de referencia proporcionadas por
el fabricante, para otras condiciones habrá que utilizar las ecuaciones (1.2) y (1.7) para
actualizar los valores de I L e I 0 respectivamente. Ambos parámetros quedan en función de
la resistencia en serie asociada.
1.2.4.
Evaluación de las pérdidas internas de la celda PV ( RS )
El valor de la resistencia en serie afecta la localización del punto de máxima
potencia en la curva I-V pero no afecta el valor de la corriente de corto circuito ni del
voltaje en circuito abierto. Varios métodos han sido estudiados para determinar el valor
correcto de la resistencia en serie asociada [Towensend, 1989], el método explicito
simplificado expuesto relaciona el cálculo de este parámetro a través de los parámetros de
referencia proporcionados por el fabricante y evita la experimentación para su obtención,
de esta manera se obtiene que:
1 ⎛ I MP ⎞
ln ⎜1 −
⎟ + VOC − VMP
Λ ⎝ I SC ⎠
RS =
I MP
(1.18)
Donde la variable auxiliar Λ está dada por:
⎡ I SC
⎛ I ⎞⎤
+ ⎜1 − MP ⎟ ⎥
⎢
I SC − I MP ⎝
I SC ⎠ ⎦
Λ=⎣
2VMP − VOC
(1.19)
El término RS obtenido es aproximado al valor real, todos los métodos
desarrollados para obtenerlo presentan una variación significativa en cuanto a los resultados
obtenidos. Otra manera de evaluarlo es a través de iteraciones para encontrar el punto de
potencia máxima en las condiciones de referencia, tomando como base el resultado
cenidet
22
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
obtenido en la ecuación (1.18) y a partir de ahí variar el valor de RS hasta obtener uno que
nos de él valor de potencia máxima proporcionado por el fabricante.
1.2.5.
Potencia eléctrica y rendimiento
La potencia eléctrica P esta definida por:
⎡
⎛ q(V + IRS ) ⎞ ⎤
⎢
P = V ⋅ I = V I L − I 0 ⎜ e γ kTC − 1⎟ ⎥
⎜
⎟⎥
⎢
⎝
⎠⎦
⎣
(1.20)
La potencia máxima para dP dV = 0 , es equivalente a:
q (V + IRS )
q (V + IR )
⎛
q (V + IRS ) γ kTC S ⎞
γ kTC
⎟=0
−V
I L + I 0 ⎜1 − e
e
⎜
⎟
γ kTC
⎝
⎠
(1.21)
La eficiencia de una celda PV en condiciones de referencia en función de la
potencia máxima y de la radiación incidente es obtenida por:
η=
P
AΦ
(1.22)
Donde A es el área de la celda PV. La eficiencia máxima coincide con el PMP.
Esta eficiencia es teórica y se ve afectada por condiciones ambientales como la humedad en
el ambiente, la nubosidad y la suciedad presente en el módulo [King, 1997].
2. El Seguidor Solar
La incidencia de los rayos solares sobre el plano de los paneles fotovoltaicos difiere
de la perpendicularidad a lo largo del día y por lo tanto se ve reducida la eficiencia de los
paneles solares. Es posible corregir esta situación utilizando un seguidor solar que oriente
los paneles a la posición del Sol. El uso de seguidores solares ha reportado ganancias
23
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
superiores al 20% en estudios de campo [Lorenzo, 2003]. El seguidor solar sigue la
trayectoria aparente del Sol ocasionada por los movimientos de la Tierra respecto al Sol.
2.3. Movimientos del planeta con respecto al Sol
La Tierra realiza dos movimientos que inciden en la posición relativa de un punto en
su superficie con respecto al Sol [Dutch, 2004], el movimiento que más afecta esta posición
es el de rotación, movimiento que realiza la Tierra sobre su propio eje con una duración de
24 horas 0 minutos y 57.33 segundos, que se ha sintetizado a 24 horas, con la
compensación del año bisiesto. Así se da lugar al día y la noche ya que durante el giro la
mitad de la Tierra está iluminada y la otra mitad en penumbra.
(B) Trayectoria aparente generada
(A) Movimiento de rotación
Figura 11.- Movimiento de Rotación de la Tierra
El intervalo de tiempo del día y la noche depende de la ubicación geográfica del
punto considerado, solo en la línea del Ecuador los días y las noches duran 12 horas durante
todo el año. El movimiento de rotación, Figura 11, genera que el Sol dibuje una trayectoria
circular en el espacio en el periodo que dura el día.
cenidet
24
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
El segundo movimiento que realiza la Tierra es el de traslación que se refiere al
movimiento que realiza la Tierra alrededor del Sol. El movimiento de traslación tarda en
realizarse 365.2422 días, que para efectos prácticos se toma de 365 y cada cuatro años (año
bisiesto) se toma de 366 días. Durante el recorrido la Tierra presenta una trayectoria elíptica
alrededor del Sol. La trayectoria elíptica de la Tierra alrededor del Sol tiene un ángulo con
respecto a la horizontal del Ecuador solar de 23.45º, Figura 12.
Figura 12.- Movimiento de Traslación de la Tierra
El movimiento de traslación de la Tierra genera que la trayectoria aparente del Sol,
ocasionada por el movimiento de rotación, presente una variación a lo largo del año como
se muestra en la Figura 13, la trayectoria aparente del Sol a lo largo del día varía entonces
en su declinación con respecto al observador, esta variación en la declinación incide en la
duración del día y la noche. El Sol en su trayectoria pasa siempre por un punto central
orientado hacia el sur a las 12 horas del día Solar.
25
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Solsticio de
Invierno
Solsticio de
Verano
Equinoccio de
Primavera y
Otoño
Figura 13.- Variación en la declinación por efecto del movimiento de traslación
2.3.1.
La hora solar
Un día solar es el tiempo que tarda el Sol en pasar dos veces por el mismo punto,
tiene una duración aproximada de 24 horas y siempre a las 12 horas el Sol se encuentra en
el meridiano, la aplicación exacta de este tiempo seria poco practica, por lo que se
estandarizó a 24 horas y se crearon los husos horarios para que comunidades cercanas
cuenten con el mismo horario, obteniéndose la hora civil, es posible calcular la hora solar a
partir de la hora civil con lo que se puede saber la posición exacta del Sol. Para calcular la
hora solar es necesario calcular la ecuación del tiempo [Plasencia, 2001]:
ET = 12 + (0.1236sin X − 0.0043cos X ) + (0.1583sin 2 X + 0.0608cos 2 X )
(1.23)
En donde X es el ángulo de desviación de acuerdo al día del año N:
X =
360º ( N − 1)
365.2422
(1.24)
La longitud del tiempo estándar del lugar determinada por:
LI = ( longitud del lugar − meridiano de referencia ) 15 º
cenidet
26
(1.25)
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
El valor del meridiano de referencia corresponde al del huso horario del lugar donde
se desea realizar el cálculo. Para finalmente calcular el tiempo solar (TS):
TS = TC − ET − LI
(1.26)
La diferencia en el valor de la hora civil y la hora solar presenta un valor distinto a
lo largo del año. La Figura 14 nos indica la cantidad de minutos de diferencia de la hora
solar con el reloj civil a las 12 horas. El eje de los minutos nos indica la cantidad de
minutos que hay que sumar en el reloj civil para saber cuando son las 12 hora solar. En esta
grafica no se considera el cambio de horario en verano.
55
50
Minutos
45
40
35
30
25
20
0
50
100
150
200
Dia del año
250
300
350
Figura 14.- Hora solar
2.4. Ubicación de la trayectoria solar
Para poder ubicar la trayectoria solar primero hay que conocer nuestra ubicación en
la Tierra. Para localizar un punto en la Tierra se utilizan los ángulos de latitud y longitud
propios del lugar, el ángulo de latitud nos dirá que tan retirados estamos del Ecuador y el
ángulo de longitud establece la posición de acuerdo al meridiano de Greenwich (plano de
referencia internacional para definir el uso horario civil).
27
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Por el ejemplo la Figura 15 nos muestra la localización de un punto con
coordenadas 20º latitud Norte y 80º de longitud Este, de esta manera se puede localizar
geográficamente cualquier punto en la bóveda terrestre que se requiera, necesario para
conocer la ubicación de la trayectoria aparente del Sol.
El ángulo de latitud es el que incide en la posición de la trayectoria, ya que el ángulo
de longitud, al estar trazado de manera perpendicular al eje de rotación solo nos sirve para
establecer el uso horario, por lo que comunidades que se encuentren en el mismo ángulo de
latitud observaran la misma trayectoria del Sol, lo que incide en que presenten también un
valor de radiación solar muy parecido. Figura 1.
Figura 15.- Ubicación de un punto en la Tierra
Para ubicar la posición del Sol respecto a un punto en la Tierra se hace uso de dos
ángulos, el de altura (h), que es el ángulo del Sol con respecto al plano horizontal y el de
azimut (as) que se mide en sentido horario a partir del sur hasta la proyección del Sol en el
plano horizontal, Figura 16.
cenidet
28
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 16.- Ubicación del Sol
El valor del ángulo de altitud y azimut es una función de la hora, día del año y
latitud del lugar que puede ser calculado por métodos numéricos [Plasencia, 2001]. En
primer lugar se determina el ángulo de declinación de la Tierra (d) debida al movimiento de
traslación:
360 ⎤
⎡
d = 23.45sin ⎢( 284 + N )
365 ⎥⎦
⎣
(1.27)
Donde N es el día consecutivo del año que se desea conocer. El ángulo horario (hs)
es el ángulo comprendido entre el meridiano local y la hora de estudio, es decir, es el
ángulo que se forma entre el medio día solar y la hora de referencia, que se obtiene por:
hs = (12 − hora deseada ) × 15
(1.28)
Con estos datos se obtiene el ángulo de la altura del Sol (h):
sin ( h ) = cos ( L ) cos ( d ) cos ( hs ) + sin ( L ) sin ( d )
29
(1.29)
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Y el ángulo de azimut del Sol (as):
sin ( as ) =
cos ( d ) sin ( hs )
cos ( h )
(1.30)
Es necesario aplicar una función inversa cuando el ángulo azimutal es mayor a 90º
(cuando la posición del Sol rebasa el eje o plano vertical este-oeste), bajo el siguiente
razonamiento:
cos(hs ) <
⎡ cos(d ) sin(hs ) ⎤
tan(d )
⇒ as = sin −1 ⎢
⎥
tan( L)
cos(h)
⎣
⎦
⎡ cos(d ) sin(hs ) ⎤
tan(d )
⇒ as = 180º − sin −1 ⎢
cos(hs ) <
⎥
tan( L)
cos(h)
⎣
⎦
(1.31)
Ahora que se conoce la trayectoria aparente del Sol, por que se provoca y como se
comporta, se pueden analizar los tipos de seguidores solares.
2.5. Tipos de seguidores solares
2.5.1.
Seguidor solar pasivo
El seguidor solar pasivo es un seguidor de un eje polar que carece de un control
electrónico para su funcionamiento, su diseño se basa en el cambio de densidad de un
líquido de bajo punto de ebullición, regularmente freón. El líquido se encuentra en dos
tanques alineados de este a oeste e interconectados entre sí. Cuando recibe los rayos solares
el líquido contenido se evapora y la diferencia de pesos provoca el movimiento, los paneles
se colocan de manera tal que se encuentra balanceado el peso y adicionalmente se colocan
amortiguadores hidráulicos para contrarrestar la fuerza del viento [Zomeworks, 2007].
cenidet
30
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 17.- Seguidor Pasivo, primera etapa
El seguidor comienza el día orientado al oeste. Con los primeros rayos solares el
freón contenido en el depósito del lado oeste se evapora, Figura 17, y circula hacia el
contenedor del lado este, al llegar ahí se vuelve a condensar y la diferencia de pesos
provoca que el seguidor gire y quede orientado hacia el este.
Los contenedores cuentan en los extremos con unas placas que originan sombra
sobre ellos, el freón contenido en la sombra se condensa y el que está expuesto al Sol se
evapora, el equilibrio se alcanza cuando en ambos contenedores, este y oeste, se encuentra
una cantidad igual de líquido, y eso se da cuando el plano del seguidor se encuentra
perpendicular al Sol. El líquido en los contenedores busca el equilibrio a lo largo del día, lo
que induce el seguimiento del Sol, Figura 18.
Figura 18.- Seguidor Pasivo, segunda etapa
31
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Finalmente, cuando el seguidor llega a su límite mecánico, en el atardecer, los rayos
solares inciden solamente sobre el contenedor este y el contenedor oeste se encuentra en la
sombra, por lo que se llena de liquido y el seguidor solar se orienta hacia el oeste,
finalizando su ciclo de trabajo, Figura 19.
Figura 19.- Seguidor Pasivo, tercer etapa
2.5.2.
Seguidores solares activos
Este tipo de seguidores utiliza un control electrónico para ubicar la posición del Sol,
este control se retroalimenta a base de sensores o por cálculos numéricos como los
expuestos anteriormente y utilizan algún actuador para realizar el movimiento del seguidor
[Pastrana, 2006]. En el mercado existen diferentes tipos de seguidores activos que se
diferencian entre sí por el número de movimientos automáticos que realizan y el volumen
de trabajo que pueden desarrollar [IEC, 2007].
Seguidor solar de un eje, azimutal.- El seguidor solar azimutal gira sobre un eje
vertical y la superficie de los módulos tiene una inclinación igual a la latitud del lugar para
obtener un mejor rendimiento a lo largo del año. El movimiento es determinado
directamente por el valor del ángulo de azimut del Sol. La curva que dibuja en el espacio
presenta siempre la misma altitud con un volumen de trabajo reducido en comparación con
los otros seguidores, Figura 20, su diseño suele ser el más simple por lo que su uso se ha
extendido entre los fabricantes.
cenidet
32
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 20.- Seguidor solar de un eje azimutal
Seguidor solar de un eje, horizontal.- El seguidor solar gira sobre un eje horizontal
norte-sur, los módulos son colocados de manera paralela al eje de giro. La trayectoria
dibujada es siempre un arco de este a oeste perpendicular al plano horizontal, que difiere de
la trayectoria solar en la inclinación que tiene, Figura 21.
O
S
N
E
Figura 21.- Seguidor solar de un eje horizontal
Seguidor solar de un eje, polar.- El seguidor solar gira sobre un eje orientado en
dirección norte-sur y con una inclinación del eje igual a la latitud del lugar, los módulos se
colocan paralelos al eje de giro, la velocidad de giro es de aproximadamente 15º por hora.
Muy parecido al seguidor horizontal pero su inclinación provee una mejor ganancia por año
con respecto a éste ya que corrige la declinación de la trayectoria coincide con la del Sol, en
contra se tiene un diseño más elaborado. La inclinación de los módulos opcionalmente
puede ajustarse manualmente aun con este ajuste la trayectoria descrita solo coincide
fielmente con la del Sol en el equinoccio de primavera y otoño, Figura 22.
33
cenidet
Capítulo II
Fundamentos Teóricos
Figura 22.- Seguidor solar de un eje polar
Seguidor solar de dos ejes.- El seguidor solar de dos ejes realiza dos movimientos
automatizados para realizar el seguimiento en los dos ángulos que determinan la posición
del Sol. Son los únicos en que la superficie de los módulos siempre es perpendicular al Sol
todo el día durante todo el año, su volumen de trabajo se extiende a lo largo de la
trayectoria del Sol en todo el año, Figura 23.
Figura 23 Seguidor solar de dos ejes
cenidet
34
CAPÍTULO III
Diseño del
seguidor
Solar
El diseño mecánico del seguidor solar se desarrolló considerando las condiciones
del lugar de emplazamiento y con componentes que se pudieran adquirir fácilmente, se
evitó también la fabricación de componentes mecánicos de difícil manufactura por el
aumento del costo que esto significaría en su desarrollo.
Al no contar con una normatividad y literatura específica para el diseño de
seguidores solares, los requerimientos técnicos fueron obtenidos de simulaciones de
funcionamiento del seguidor y los factores de seguridad se tomaron de la norma para diseño
de anuncios espectaculares por su similitud con un seguidor solar.
Se buscó el balance de los pesos y áreas con respecto al eje de movimiento para que
el momento que se tenga que vencer sea mínimo y el actuador solo ayude a conservar el
equilibrio y a provocar el movimiento del seguidor pero que no tenga que soportar el peso
completo de los módulos en todo momento.
El control que se escogió se realiza sin retroalimentación de la posición del Sol,
utilizando el uso de cálculos astronómicos para evitar sensores y (por especificación directa
de requerimiento) para evaluación del funcionamiento de un seguidor solar con este tipo de
control.
35
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
1. Selección del tipo de seguidor
La mejor manera para elegir un tipo de seguidor es analizando su desempeño
individual. No se localizaron a nivel bibliográfico datos específicos sobre su rendimiento en
campo con lo que se logrará realizar una comparación objetiva, por lo que se recurrió a la
simulación para obtener un punto de comparación entre ellos, sabiendo que el rendimiento
del panel de acuerdo a una no perpendicularidad con los rayos solares es de
aproximadamente el coseno del ángulo entre los rayos solares y la normal al plano de los
módulos, ecuación (2.1) [Berbeglia, 2003].
η f = η ⋅ cos (α )
(2.1)
1.1. Comparación de los seguidores solares
Para evaluar el rendimiento de cada seguidor solar es necesario conocer el vector de
trayectoria de los rayos solares y de la normal del plano de los módulos a lo largo del día.
El vector de los rayos solares se obtiene en función de los ángulos de altura (h) y azimut
(as) que describen su posición, con ellos se obtienen las coordenadas del punto en el que se
encuentra el Sol, y como punto final del vector tenemos el origen, Figura 24.
Figura 24.- Vector de trayectoria del Sol
cenidet
36
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Considerando una longitud unitaria se obtiene el vector de trayectoria:
G
s = [ − cos(h) cos(as ), − cos(h)sen( as), −sen(h) ]
(2.2)
1.1.1. Vector normal y Algoritmo de control
Para el caso del seguidor solar de dos ejes se supone que la normal del plano
siempre es paralela al vector de trayectoria de los rayos solares, por lo que no es necesario
calcular este vector, sólo en el caso de los seguidores solares de un eje existe una no
perpendicularidad variable a lo largo del día que se tiene que analizar.
Seguidor solar de un eje, azimutal.- El vector normal al plano en un seguidor
azimutal tiene un ángulo de altitud (A) constante, con un valor de 90 menos la latitud del
lugar, el ángulo “x” e “y” se obtienen a partir de la proyección del vector en el plano
horizontal, Figura 25.
Figura 25.- Vector normal al plano, seguidor azimutal
Si se considera que el vector parte del origen hacia el Sol y es de magnitud unitaria,
tenemos el siguiente vector normal:
37
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
JJG
sa = [ cos( A) cos(as), cos( A)sen(as),sen( A) ]
(2.3)
Se puede observar que el vector normal es función solo del ángulo de azimut del
Sol, por lo que el control electrónico solamente considera este valor para su
retroalimentación.
Seguidor solar de un eje, horizontal.- En un seguidor horizontal el control esta enfocado al
seguimiento del ángulo horizontal proyectado en el plano este-oeste, el valor de este ángulo
se calcula con la proyección de la trayectoria solar en el plano, el valor de las proyecciones
se observa en la Figura 26.
sen(h)
h
φ
as
cos(h)sen( as )
Figura 26.- Ángulo de control en el seguidor horizontal
El ángulo de seguimiento ( φ ) puede entonces ser calculado por trigonometría,
obteniendo como resultado:
⎛ tan(h) ⎞
⎟
⎝ sen(as ) ⎠
φ = tan −1 ⎜
(2.4)
El vector normal en este seguidor presenta la característica de que su valor en el eje
“x” es constante durante todo el día e igual a cero, como los módulos no cuentan con
ninguna inclinación, el valor de “y” igual al cos(φ ) y el valor de “z” al sen(φ ) .
cenidet
38
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
z
z = sen(φ )
φ
x
y = cos(φ )
y
Figura 27.- Vector normal al Plano, seguidor horizontal
Se analiza la Figura 27 para determinar el vector normal en un seguidor horizontal.
De esta forma se obtiene el vector normal a la superficie de los módulos para el seguidor
solar horizontal.
JJG
sh = [ 0, cos( h)sen(as ),sen(h) ]
(2.5)
Seguidor solar de un eje, polar.- El control en un seguidor polar se enfoca al
seguimiento del ángulo que se dibuja en el plano de la trayectoria del Sol, el valor de este
ángulo se puede determinar de la proyección de la trayectoria en el plano este-oeste, y a
partir de ahí realizar un giro en el sistema de coordenadas sobre el eje “y” aplicando las
fórmulas para rotación de ejes [Oteyza, 2005], el valor de la coordenada “y” permanece
inalterado ya que el giro se realiza sobre el eje “y”, sólo abrá que calcular el nuevo valor de
“z”:
z ′ = − ysen(θ ) + z cos(θ )
(2.6)
Se aplica la ecuación (2.6) al valor de la coordenada “z” en la proyección de la
Figura 26 y se obtiene el ángulo de trayectoria de un seguidor polar:
⎛ sen(h) cos(θ ) ⎞
−1 ⎛ tan( h) cos(θ ) ⎞
⎟ = tan ⎜
⎟
⎝ cos(h)sen(as ) ⎠
⎝ sen(as ) ⎠
ϕ = tan −1 ⎜
(2.7)
En este caso θ es el valor del ángulo de inclinación del seguidor, regularmente
igual a la latitud del lugar. El vector normal a la superficie se determina a partir del vector
de normal del seguidor horizontal, pero girado sobre el eje “y” θ grados, obteniendo:
39
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
JJG
sp = [sen(φ )sen(θ ), cos(φ ),sen(φ ) cos(φ ) ]
(2.8)
1.1.2. Rendimiento de los seguidores solares
Utilizando las ecuaciones expuestas en el primer capítulo para calcular el valor del
ángulo de azimut y altura del Sol, se puede determinar el ángulo entre el vector de
dirección de los rayos del Sol y el vector normal a los módulos en cada seguidor para
conocer el rendimiento de los seguidores solares y tener un criterio de selección. Se realizó
la simulación de generación de energía en Cuernavaca con los datos de radiación obtenidos
de la estación de monitoreo del Centro de Investigación en Energía en los puntos extremos
del movimiento de latitud del Sol, equinoccio de otoño y primavera y Solsticio de verano e
invierno considerando las características de los módulos utilizados (BP 350) y se obtuvo un
promedio de generación de energía por cada mes del año, Figura 28. El seguidor solar de un
eje considerado fue el polar ya que es el que presenta un mejor rendimiento.
700
Energia promedio por dia (Wh)
600
500
400
2 ejes
1 eje
Estático
300
200
100
di
ci
em
br
e
no
vi
em
br
e
oc
tu
br
e
se
pt
ie
m
br
e
ag
os
to
ju
lio
ju
ni
o
m
ay
o
ab
ril
m
ar
zo
fe
br
er
o
en
er
o
-
Figura 28.- Generación de energía mensual con y sin seguidor solar
La Figura 29, muestra los resultados de la simulación de la que se concluye que el
seguidor de un eje que ofrece un mejor rendimiento a lo largo del año es el polar. No se
justifica el uso de un seguidor solar de dos ejes debido a que la adición de un segundo eje
cenidet
40
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
de movimiento reportaría un incremento muy reducido, y en algunas épocas del año su
rendimiento es similar al seguidor polar. Esto se puede observar en la Figura 28 que se
obtiene de simular la producción de energía por módulos solares por día y en promedio de
cada mes. Se eligió entonces la construcción de un seguidor de un eje de movimiento polar.
Equinoccio de Invierno
90
90
80
80
Eficiencia por perpendicularidad (%)
100
70
60
50
40
30
20
10
0
6
70
60
50
40
30
20
10
8
10
12
Hora Solar
14
16
0
6
18
8
10
12
Hora Solar
14
16
18
Equinoccio de Verano
100
90
Eficiencia por perpendicularidad (%)
Eficiencia por perpendicularidad (%)
Equinoccio de Primavera y Otoño
100
80
70
Polar
Azimutal
Horizontal
Fijo
60
50
40
30
20
10
0
6
8
10
12
Hora Solar
14
16
18
Figura 29.- Rendimiento de seguidores solares
41
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
2. Acotación del ángulo de seguimiento
Idealmente un seguidor solar polar debería recorrer 180º a lo largo de un día, sin
embargo este recorrido resulta impractico debido a que las condiciones orográficas del
terreno difícilmente permiten una visualización del plano horizontal completo, además la
radiación solar en las primeras y últimas horas del día es reducida y deja de ser conveniente
realizar el seguimiento, por lo que se hace necesario realizar una acotación de este ángulo.
Recurriendo nuevamente a la simulación, se reproduce la producción de energía en
un día con datos de radiación proporcionados por el Centro de Investigación en Energía de
la Universidad Nacional Autónoma de México, emplazado en Temixco, Morelos que son
los mas próximos al lugar en que se desea colocar finalmente el seguidor solar. Si a partir
de las 16 horas se detiene el seguimiento pero se mantiene la ultima posición del seguidor,
el rendimiento disminuye en promedio solo 2%, por lo que se puede concluir que podemos
detener el seguimiento a las 16 horas sin afectar de manera considerable la eficiencia del
sistema.
40
2 eje
1 eje
Estático
35
30
Potencia (W)
25
20
15
Periodo de seguimiento
10
5
0
6
8
10
12
Hora
14
16
18
Figura 30.- Acotación del periodo de seguimiento
cenidet
42
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Los resultados se muestran en la Figura 30, se observa que la producción a lo largo
de un día es parecida a una campana de gauss con el centro en las 12 horas solar, así si se
detiene el seguimiento a las 16 horas se debe comenzar a las 8 horas, con lo que se obtiene
un periodo de seguimiento de 8 horas.
El Sol se mueve 15 grados cada hora aproximadamente en el plano que contiene su
trayectoria, el plano que dibuja la trayectoria del seguidor polar es igual al plano de la
trayectoria del Sol, por lo que el seguidor solar se deberá moverse también 15º por hora,
por lo que en total durante su periodo de trabajo de debe mover 120º, Figura 31.
Figura 31.- Acotación del ángulo de seguimiento
3. Diseño de la estructura del seguidor
Teniendo en cuenta el tipo de seguidor que se tenía que realizar, el diseño de la
estructura se condicionó por dos factores: la cantidad de módulos que debía soportar y por
el tipo de actuador para el movimiento. La estructura se diseñó para soportar dos módulos
BP 350 como especificación primaria.
3.1. Selección del actuador
La selección del actuador se basó en el cumplimiento de las siguientes
características:
43
cenidet
Capítulo III
•
Diseño del seguidor solar
Funcionamiento con la energía disponible, energía eléctrica de corriente directa
proporcionada por el mismo sistema.
•
Capacidad para mantener su última posición sin uso de energía.
•
Capaz de proporcionar movimientos pequeños sin la incorporación de más
elementos mecánicos.
•
Adecuado para trabajo a la intemperie.
Con base en estas características y la información obtenida de los seguidores que se
ofertan en la actualidad, se optó por el uso de un brazo actuador lineal con transmisión de
tornillo sin fin. El modelo utilizado es el HARL3018+ /Super Jack II+ de la compañía Pro
Brand con una longitud de vástago de 18 pulgadas, soporta una carga dinámica de 600 lb y
una carga estática de 1000 lb [ProBrand, 2007].
Motor de CD
Soporte del actuador,
ajustable en todo el
cuerpo del brazo
Movimiento lineal
del actuador
Ubicación de las
conexiones del
motor y el sensor
Figura 32.- Actuador del seguidor solar
La Figura 32 muestra el actuador utilizado y sus principales componentes, este
actuador cuenta con un sensor magnético de vástago que proporciona 30 pulsos por cada
pulgada de avance lineal, estos pulsos se utilizaron para el sistema de control.
3.2. Diseño del seguidor
Se partió de colocar los paneles a cierta altura para poder realizar el movimiento de
los ejes, esto se hizo con un poste anclado al piso por medio de unos pernos. En la parte
superior del poste se coloca un soporte en forma de “H” que sirve para colocar el eje del
ángulo de altura, que aunque no se mueve de manera automática tiene la posibilidad de
realizarse un ajuste manual, Figura 33.
cenidet
44
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
“H” de soporte del
ángulo de altura
Anclaje del poste
Poste del
seguidor
Eje del ángulo de altura
Giro del ángulo
de altura
Figura 33.- Poste de soporte y eje de altura
El ajuste manual se logra con la colocación de un tensor de cable entre el poste y el la
estructura en movimiento, la colocación del eje cuenta con un desfase del poste necesario
para permitir el movimiento de la estructura sin necesidad de aumentar la distancia vertical
entre el poste y el eje de giro, Figura 34.
Desfase del eje de giro
Posición del
tensor
Figura 34.- Solución al ángulo de altura
Sobre el eje se coloca un pedazo del mismo cuadrado del poste que funciona como
soporte para el ángulo de azimut y además para colocar el actuador. El movimiento en el
ángulo de azimut se obtuvo colocando unas “L” en los extremos del soporte y
atravesándolas con un nuevo eje, sobre las “L” se colocó la estructura de soporte de los
módulos, Figura 35. Finalmente sobre esta estructura se colocó la estructura de los módulos
fotovoltaicos completando así el seguidor solar.
45
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
Soporte para la estructura de los módulos
“L” de soporte
Eje del ángulo de
azimut
Base de soporte
para el actuador
Soporte para el
ángulo de azimut
Figura 35.- Solución al ángulo de azimut
La Figura 36 muestra el diseño del soporte de los módulos, se observa que existe
una separación entre ellos que es de donde se soporta y que sirve para proporcionar un área
para el paso del aire para evitar que los efectos por la fuerza del viento sean mayores. Se
aprecia la forma en que se encuentran unidos, a base de soldadura pero sobrepuestos, lo que
ayuda a que la soladura no trabaje a cortante y así evitar concentración de esfuerzos.
Módulo Fotovoltaico
Soporte del
actuador
Espacio de soporte de
la estructura
Riel de soporte de los módulos
Figura 36.- Soporte de los módulos
La estructura de los módulos es sujetada a presión por medio de unas barras paralelas
sobre los soportes “L”, y el actuador es colocado en el soporte del ángulo de azimut y actúa
sobre la estructura de los módulos logrando el movimiento del seguidor alrededor del
ángulo de azimut, Figura 37.
cenidet
46
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Sujeción de la
estructura de los
módulos
Colocación del
actuador lineal
Figura 37.- Sujeción de los módulos y del actuador
Se concluye con esto el diseño de la estructura del seguidor, las dimensiones de los
componentes se obtuvieron por las dimensiones de los módulos y por los esfuerzos en la
estructura, siendo las partes más críticas la estructura de soporte de los módulos y el poste
del seguidor.
4. Determinación de las fuerzas en el seguidor
La mayor fuerza que soporta un seguidor solar es la provocada por la acción del
viento en la estructura, para efectos de cálculo se consideró la velocidad de viento máxima
que
establece
el
Reglamento
de
construcción
del
municipio
de
Cuernavaca
[RegCons, 2001] (120 km/h).
Para determinar qué fuerza genera sobre el seguidor el viento a esta velocidad se
utilizaron las normas técnicas complementarias para diseño por viento del mismo
reglamento, de acuerdo al siguiente procedimiento.
4.1. Velocidad del viento
Los efectos estáticos del viento sobre una estructura o componente de la misma se
determinan con base en la velocidad de diseño del viento, obtenida de la ecuación (2.9):
VD = FTR Fα VR
47
(2.9)
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
Donde:
FTR
Factor correctivo de acuerdo a la topografía y rugosidad del terreno
de los alrededores del sitio de desplante.
Fα
Factor que toma en cuenta la variación de la velocidad con la altura
de la estructura.
VR
Velocidad de la región.
4.2. Presión del viento
La fuerza que ejerce el viento sobre una superficie es una función directamente
proporcional al área expuesta. Si se determina la presión que ejerce el viento y se conoce el
área expuesta se puede conocer la fuerza que recibe la estructura por la acción del viento.
La presión que ejerce el viento sobre una superficie determinada se obtiene por medio
de la ecuación (2.10):
Pz = 0.47C PVD
2
(2.10)
Donde:
CP
Coeficiente local de presión, que depende de la forma de la
estructura.
VD
Velocidad de diseño.
4.3. Empujes dinámicos paralelos al viento
Los efectos estáticos y dinámicos debidos a la turbulencia se toman en cuenta
multiplicando la presión de diseño calculada por un factor de amplificación dinámica
determinado con la ecuación (2.11):
cenidet
48
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
R
Ce
G = 0.43 + g
⎛
SF ⎞
⎜⎜ B +
⎟ ≥1
β ⎟⎠
⎝
(2.11)
Donde:
⎛
⎞ 1
0.58
⎟
≥ 1.48
g = ⎜ 2 Ln(3600v ) +
⎜
2 Ln(3600v ) ⎟⎠ 2.3
⎝
v = n0
B=
4
3
914 H
∫
0
SFR
SFR + β Β
(2.13)
⎞⎛
⎛
⎞
⎜ 1 ⎟⎜ 1 ⎟⎛
x
⎜
⎟⎜
⎟⎜
⎜
xH
xb
⎜
⎟⎜
⎟⎝ 1 x 2
⎟
⎜1+
⎟⎜ 1 +
457 ⎠⎝ 122 ⎠
⎝
⎞
⎟dx
43 ⎟
⎠
( )
⎛
⎜
1
π⎜
S=
3 ⎜ 8n0 H
⎜1+
3V H
⎝
FR =
⎞
⎞⎛
⎟
⎟⎜
1
⎟
⎟⎜
⎟⎜ 10n0 b ⎟
⎟
⎟⎜ 1 +
VH ⎠
⎠⎝
x0 2
(1 + x02 )
(2.12)
43
(2.14)
(2.15)
(2.16)
x0 = (1220n0 VH )
(2.17)
V H = VR RC e
(2.18)
Donde:
G
factor de amplificación dinámica
g
factor de respuesta máxima
R
factor de rugosidad
B
factor de excitación de fondo
49
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
S
factor de reducción por tamaño
no
frecuencia del modo fundamental de la estructura, Hz
H
altura de la estructura
β
fracción del amortiguamiento crítico, igual a 0.01 en estructuras de
acero
Ln
logaritmo natural
F
relación de energía en ráfaga
Ce
Factor correctivo por exposición.
Los factores correctivos aquí expuestos fueron evaluados de acuerdo a la
normatividad utilizada, tomando como factores de seguridad los requeridos para estructuras
de anuncios espectaculares por su similitud con la estructura de un seguidor solar.
5. Análisis de los esfuerzos en la estructura
Como se mencionó anteriormente los elemento mas críticos en el seguidor solar son
la estructura de los módulos y el poste, la estructura de los módulos es la que recibe en
primera instancia las fuerzas del viento y las transmite a los demás componentes del
seguidor, los módulos se encuentran posicionados de manera equidistante a partir del eje
de giro del ángulo de azimut, Figura 38.
Fuerza debida al viento y peso de los módulos
Módulo PV
Ra
Rb
Rc
Posición del eje de giro. Re
Figura 38.- Fuerzas en la estructura de los módulos
cenidet
50
Rd
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Partiendo de este diseño tenemos el diagrama de fuerzas que se muestra en la Figura
39, se tiene una fuerza repartida en cada punto de apoyo (Ra, Rb, Rc, Rd), debido a la fuerza
ejercida por el viento y al peso de los módulos. Al ser la reacción en el eje de giro la única
fuerza contraria, ésta debe ser igual a la suma de las reacciones en los puntos de apoyo pero
de sentido contrario. En la posición del eje de giro azimutal es donde se presenta el mayor
esfuerzo para la estructura de soporte de los módulos. Determinando este esfuerzo se
dimensiona la estructura de los módulos.
Rc
V (N)
Rd
Distancia
Ra
Re
Rb
M (Nm)
Distancia
Mmax
Figura 39.- Diagrama de momentos y fuerzas cortantes
El momento en el eje azimutal se calcula con la fuerza aplicada (F) y la distancia al
punto de apoyo (d),[Mott, 2006]:
M = F ⋅d
(2.19)
Y el esfuerzo que debe soportar el elemento se determina por la fórmula de la
flexión, [Hibbeler, 2006]:
51
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
σ=
M ⋅c
I
(2.20)
Donde:
M
Momento interno resultante.
c
Distancia perpendicular del eje neutro al punto más alejado de éste.
I
Momento de inercia de la sección transversal calculado respecto al
eje neutro
El poste tiene una longitud reducida y un peso ligero, por lo que se analizó como
una viga empotrada en un extremo y con una carga concentrada en el otro, la carga es
equivalente a toda la fuerza que ejerce el viento sobre el seguidor, se utilizan las mismas
ecuaciones antes expuestas para determinar el momento y esfuerzo a que está sometida. Los
componentes intermedios entre el poste y la estructura se dimensionaron como
consecuencia de las dimensiones de éstos.
6. Control del seguidor
El diseño se basó en el requerimiento de controlar el seguidor sin el uso de sensores
externos haciendo uso del cálculo de la posición por medio de las ecuaciones antes
expuestas. Se determinó que componentes debería tener el “hardware” y a partir de ahí se
programo el “software”.
6.1. Diseño de la tarjeta de control del seguidor
Se determinaron tres componentes principales que debería tener, Figura 40.:
1.-Un microcontrolador
2.- Un reloj en tiempo real que alimentara al microcontrolador con datos de fecha y
hora confiables
3.- Un amplificador de potencia para el accionamiento del actuador.
cenidet
52
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Figura 40.- Componentes del sistema de control
Al seleccionar el reloj se buscó que contara con su propia alimentación para la
ocasión en que el sistema se quedara sin energía no se perdieran los datos contenidos en él.
Para retroalimentar el control se utilizó el sensor de avance del actuador, los demás
elementos del hardware sólo son para el funcionamiento de los componentes principales y
los valores se tomaron directamente de las hojas de datos de acuerdo a la configuración
como era necesario utilizarlos. La Figura 41 muestra la conexión entre los componentes
principales y sus completos para su funcionamiento.
Amplificador de Potencia
Microcontrolador
PIC16F877
Reloj
DS12887
Figura 41.- Diagrama esquemático del hardware de control
53
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
6.2. Diseño del sistema de control
El microcontrolador no tiene la capacidad de evaluar funciones trigonometrícas de
manera directa necesarias para utilizar las ecuaciones de calculo de posición del Sol por
fecha y hora. Debido a esta eventualidad se utilizaron los planos de la trayectoria solar
previamente realizados para calcular la posición del Sol por medio de la fecha y la hora,
estas posiciones se tabularon y grabaron en el microcontrolador para el control del
seguidor, su funcionamiento básico consiste en actualizar la posición del seguidor cada 15
minutos, periodo de tiempo que garantiza un error menor a 4º suficiente para un seguidor
solar[Pastrana, 2006], con aviso del reloj para garantizar su efectividad.
El seguidor no guarda la información de su posición en caso de falla de energía, por
lo que cada ocasión que exista este evento el seguidor regresa a su posición de inicio
retrayendo el actuador hasta el accionamiento del interruptor de fin de carrera y a partir de
ahí se posiciona.
Cuando el seguidor termina de posicionarse programa la alarma del reloj para el
siguiente movimiento y entra en estado de reposo del que sale cuando la alarma se activa.
Al término del periodo de seguimiento, 16 horas, el seguidor mantiene su última posición
hasta las 20 horas y a continuación regresa a su posición de inicio viendo hacia el este.
Su funcionamiento básico se puede analizar en su diagrama de flujo, Figura 42. La
hora de inicio son las 8 horas en horario solar promediada por cada mes. El programa de
control se muestra en el anexo B.
cenidet
54
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Inicio
Se acciona la
Alarma del reloj
Configuración del
microcontrolador
Regreso del Seguidor
a su posición de
inicio
Si
Hora=20horas
No
Si
Hora<Hora
inicio
Avanza el seguidor.
No
Hora alarma en el reloj=
Hora inicio
Avance del seguidor.
Hora=Hora+15min
Si
Hora<Hora
inicio
No
Alarma del reloj
El programa entra en
etapa de reposo
Fin
Figura 42.- Diagrama de Flujo del software de control
7. Construcción del prototipo
Se construyó el prototipo con base en las dimensiones obtenidas previamente,
siendo necesario sólo unos ajustes en las dimensiones de algunos componentes por
disponibilidad de material y con el fin de abaratar costos, además se modificó la ubicación
del soporte del actuador, obteniendo un prototipo muy parecido al de diseño, Figura 43.
55
cenidet
Capítulo III
Diseño del seguidor solar
Figura 43.- Seguidor solar
El diseño contemplo el anclaje del seguidor solar a una base con pernos ahogados,
sin embargo la realización de esta base no fue viable en la instalación final en el laboratorio
del CIICAp por lo que fue necesario colocar el seguidor sobre una plataforma alternativa,
debido a que esta plataforma no fue diseñada para este uso se hizo necesario añadirle peso
para evitar que la fuerza del viento pudiera derribar el seguidor. Los dibujos técnicos de las
piezas del seguidor solar y su ensamble son mostrados en el Anexo E.
cenidet
56
CAPÍTULO IV
Diseño del sistema
de potencia y
monitoreo
Un sistema fotovoltaico convencional provee corriente alterna o corriente directa de
acuerdo a la aplicación. Cuando la aplicación es de corriente directa y el voltaje difiere del
voltaje del campo de baterías se utilizan los convertidores CD-CD, los niveles de voltaje de
salida en los convertidores comerciales es fija, es decir solo proporcionan un voltaje fijo a
la salida sin posibilidad de variarlo.
La aplicación final de este sistema fotovoltaico en particular es para proveer de
energía a procesos de electrólisis en el laboratorio del CIICAp (Centro de Investigación en
Ingeniería y Ciencias Aplicadas), los experimentos se basan en localizar cuando la
electrólisis se realiza de manera más eficiente realizando el proceso varias veces con los
mismos reactivos y electrodos pero con diferente voltaje cada ocasión. Por lo que fue
necesario el desarrollo de un convertidor CD-CD de salida variable.
El uso en laboratorio implica también el monitoreo de variables asociadas al proceso
para conocer las características del mismo, además de poder proveer un panorama general
de la eficiencia en la captación de energía y su transformación en el producto final. Se
realiza el monitoreo en la computadora de las variables eléctricas tanto en el proceso como
en la producción, almacenamiento y acondicionamiento de la energía, el sensar de manera
automática las variables químicas significaban una inversión muy alta que rebasaba el
presupuesto de este proyecto,
57
cenidet
Capítulo IV
Diseño del sistema de potencia y monitoreo
1. Sistema de Potencia
El sistema de potencia consiste en un convertidor CD-CD de salida variable, tiene la
consigna de proveer un voltaje seleccionado por el usuario dentro del rango de uso y una
corriente de acuerdo a la demanda del proceso. El proceso como carga eléctrica se
comporta como una resistencia, pero presenta una demanda de corriente variable, ver
Anexo A, para que se mantenga el proceso es necesario garantizar que el voltaje elegido no
varíe por la demanda de corriente por lo que se requiere un regulador de voltaje.
1.1. Requerimientos del Regulador CD-CD
Un regulador de voltaje variable puede ser conmutado o lineal, el regulador
conmutado es más eficiente, sin embargo el desarrollo de un regulador conmutado con
variable a la salida presenta complicaciones de diseño que sobrepasan los alcances de esta
tesis por lo que se desarrolló un regulador lineal.
El rango especificado del voltaje de salida por parte del usuario final fue de 0 a 10
V, el regulador lineal tiene como característica que su eficiencia depende de la diferencia
entre el voltaje de entrada y el voltaje de salida, cuanto mayor sea esta diferencia menor
será la eficiencia del regulador [Flores, 2007]. El sistema desarrollado contaba ya con dos
baterías, que si se conectan en seria proveen 24 V y en paralelo 12V, por lo que un voltaje
más cercano al valor de voltaje a la salida es con las baterías conectadas en paralelo con lo
que se tiene una mejor eficiencia en el regulador.
En cuanto a la corriente que debería poder proveer el regulador se especificó un
máximo de 6 A, valor teórico de corriente que los dos módulos fotovoltaicos generan. La
variación en la demanda de corriente en los experimentos no sobrepasa 1 A. y la duración
del experimento es de 8 horas regularmente.
cenidet
58
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
1.2. Selección y configuración del regulador
El regulador lineal que cumple con los requisitos especificados es el LT1083 en su
configuración de regulador ajustable, Figura 44, los capacitores sirven para desacoplar las
señales y su valor viene especificado en la hoja de datos.
Figura 44.- Regulador Lineal, configuración básica [LT1083]]
El voltaje de salida (Vout) es una función de la diferencia entre la resistencia R1 y la
resistencia variable RV1, de acuerdo a la siguiente ecuación:
⎛ RV 1 ⎞
Vout = 1.25V ⎜1 +
⎟
R1 ⎠
⎝
(3.1)
Como se puede observar en la ecuación, el voltaje de salida mínimo es de 1.25V,
que es el voltaje de referencia dentro del dispositivo. Esta característica es no deseable para
las especificaciones ya que se requiere que el voltaje sea seleccionado desde 0, ya que en
algunos experimentos de electrólisis el voltaje de activación es mínimo.
Para lograr que el voltaje a la salida baje hasta 0 V, es necesario añadir una nueva
referencia al regulador, con un diodo zener y una resistencia alimentadas de un voltaje
negativo Figura 45, conectándolo de esta forma la referencia que ve el regulador de voltaje
es de 1.25V tomada desde -1.2V.
59
cenidet
Capítulo IV
Diseño del sistema de potencia y monitoreo
Figura 45.- Eliminación del voltaje de referencia [LM317]
El problema en esta configuración es que es necesario contar con un voltaje
negativo, para lo cual hay que añadir un componente más, el TC7660 en configuración de
conversor negativo simple [TC7660], con lo que se completó el regulador de voltaje con un
rango de trabajo de 0-10 V y corriente de hasta 6 A, Figura 46. Debido a la cantidad de
potencia que tiene que disipar el regulador se le adicionó un disipador de calor y un
extractor de aire.
Figura 46.- Regulador de Voltaje 0 - 10 V 6A
2. Sistema de Monitoreo
cenidet
60
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Para poder conocer de manera eficaz el rendimiento del sistema es necesario saber
cuanta energía se produce, almacena, llega al regulador de voltaje y el consumo del proceso
de electrólisis, por lo que es necesario monitorear cuatro puntos del sistema, como se
muestra en la Figura 47. Las variables que hay que sensar son el voltaje y la corriente.
Regulador
de Carga
Regulador
de Voltaje
Puntos de Monitoreo
Figura 47.- Puntos de Monitoreo en el sistema
2.1. Medición del Voltaje
El sistema de monitoreo envía los datos a una computadora para su almacenamiento
y manipulación, la interfaz entre la adquisición de datos y la computadora se realizó con
una tarjeta de adquisición de datos, NI USB-6008, capaz de leer ocho entradas analógicas,
se utilizó una de ellas por variable.
Las entradas analógicas leen voltaje en rango de 0 a 10 Volts así que no fue
necesaria una adaptación de la señal para el caso del voltaje. El voltaje en los módulos,
baterías y la entrada al regulador de voltaje es de 12 V ó mas dependiendo de la carga de las
baterías, por lo que se implementó un divisor de voltaje en estos puntos para ajustar el
voltaje de lectura al rango de trabajo de la tarjeta.
2.2. Medición de la Corriente
61
cenidet
Capítulo IV
Diseño del sistema de potencia y monitoreo
Para medir la corriente hubo que traducir la señal en voltaje y ajustarla al rango de
la tarjeta de adquisición de datos. Debido a la cantidad de corriente que se necesitaba sensar
la opción más viable encontrada para realizar la traducción de señales fue el uso de un
sensor de efecto Hall, que mide el campo magnético producido por el paso de la corriente
en un conductor y no produce pérdidas en la medición. La opción elegida fue un ACS712
en configuración básica, Figura 48.
Figura 48.- Sensor de efecto Hall [ACS712]
Para realizar el ajuste de la señal se recurrió al uso de amplificadores operacionales,
en configuración amplificadora diferencial, Figura 49. Los valores de las resistencias se
calcularon de manera tal que la relación de voltaje contra corriente sea de 1V/A.
Figura 49.- Sensado de Corriente
cenidet
62
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
El cálculo de las resistencias se obtiene mediante la fórmula (3.2), [LM324],
siempre que se cumpla que R1 R 2 = R 4 R3 , fue necesario un arreglo similar para cada uno
de los cuatro puntos de medición de corriente.
⎛ R ⎞
Vout = ⎜1 + 4 ⎟ (Vsalida sensor − Ventrada / 2 )
⎝ R3 ⎠
(3.2)
2.3. Interfaz de monitoreo
La interfaz del sistema tiene como objetivo principal mostrar el flujo de energía en
el sistema y almacenar la información para su posterior uso y manipulación, además de
realizar la gráfica de comportamiento de ciertas variables consideradas por el usuario final
para un monitoreo más ilustrativo, la Figura 50 muestra la estructura del programa
realizadó.
INICIO
No
Lectura de
señales
Acondicionamiento
de señales
Presentación
de señales
Botón
“Stop”
activado
Si
Fin
Almacenamiento
de dato
Figura 50.- Diagrama de flujo de la interfaz de monitoreo
La Figura 51 muestra la pantalla principal del programa de monitoreo en donde se
observan el valor en tiempo real de las variables monitoreadas de cada componente, la
interfaz permite escoger el periodo de almacenamiento y su momento de inicio, muestra el
valor actual, no es permisible la manipulación de los datos almacenados hasta el momento
en que se detiene el programa.
63
cenidet
Capítulo IV
Diseño del sistema de potencia y monitoreo
Figura 51.- Interfaz de Monitoreo
El uso de la interfaz de monitoreo no condiciona la utilización del resto del sistema
ya que su desconexión no afecta a ningún componente adicional, por lo que el sistema se
puede utilizar sin la condición de contar con una computadora para el monitoreo, siempre y
cuando no sea útil la información ahí generada. El anexo B presenta un manual de
utilización de la interfaz.
cenidet
64
CAPÍTULO V
Integración y Pruebas
del sistema
El desarrollo del sistema se dividió en partes de tarea específica que fueron resueltas
de manera individual para su posterior integración. Estos partes son: 1.- el seguidor solar,
2.- almacenamiento de la energía, 3.- monitoreo y 4.- potencia.
El monitoreo se conforma del acondicionamiento de señales y la interfaz con la
computadora y el de potencia por el regulador variable de voltaje. La ubicación de cada en
el sistema y su interacción se muestra en la Figura 52, así como las características del flujo
de energía entre ellos. Todos los componentes se encuentran dentro del laboratorio de
electroquímica del CIICAp a excepción del seguidor solar que se encuentra en la azotea del
mismo. Estos componentes fueron desarrollados y construidos de manera específica para la
aplicación.
El almacenamiento de energía esta compuesto por el controlador de carga y las
baterías, todos componentes comerciales. El numero de baterías utilizadas fue condicionado
por la tenencia ya de dos baterías por parte del CIICAp, el controlador de carga implicaba
un desarrollo más elaborado que sobrepasaba los alcances del trabajo de tesis por lo que se
utilizó uno comercial, solo hubo que seleccionar el adecuado para la cantidad de energía en
el sistema.
El funcionamiento de cada componente se probó de manera individual y en conjunto
considerando las especificaciones de CIICAp.
65
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
Figura 52.- Sistema Fotovoltaico Completo desarrollado
1. Integración del sistema
La integración del sistema para su funcionamiento en conjunto se comenzó en el
diseño de cada subsistema ya que se utilizaron las características de la señal de interacción
como requerimiento de diseño para cada uno. La integración física se condicionó por la
ubicación de cada tamaño de cada componente.
La Tabla 3 muestra los componentes de cada sistema, sus características e indica si
fue adquirido o desarrollado en específico para el sistema. Al inicio del proyecto ya se
contaba en existencia con las baterías y los módulos.
cenidet
66
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Tabla 3.- Componentes del sistema desarrollado
Componente
Cantidad
Características
Sistema del seguidor solar
Módulos solares
2
Marca: BP solar, modelo: BP350, capacidad: 50 W
Seguidor solar
1
Diseño propio de seguidor polar, capacidad: 2 módulos
Sistema de monitoreo
Diseño propio para sensado de voltaje y corriente.
Tarjeta de
1
Capacidad: 0-10V 0-10 A
acondicionamiento
Tarjeta de
1
Marca: NI, Modelo: USB6008
adquisición
Interfaz de
1
Diseño propio bajo plataforma labview
monitoreo
Sistema de potencia
Regulador de voltaje
1
Diseño propio, capacidad: 10 A, 0-10 V
variable
Sistema de almacenamiento de energía
Baterías
2
Marca: Nautilus, Modelo: NC27, capacidad: 100 Ah
Controlador de carga
1
Marca: Morningstar, Modelo: PS15, capacidad: 15A
Físicamente los componentes dentro del laboratorio se integraron en un panel de
control para su mejor funcionamiento y evitar la conexión externa de ellos, además de
facilitar su uso y emplazamiento al usuario final, Figura 53 . Solo las baterías, debido a su
tamaño y peso, fueron dejadas fuera de este panel.
67
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
Encendido de
los Indicadores
Regulación de
Voltaje de carga
Regulador de
Carga
Interruptor del
sistema:
baterías,
paneles, carga
Conexiones del
sistema
Interruptor del
seguidor solar
Indicadores de
V e I de la carga
Figura 53.- Panel de control del sistema
Se colocaron en el panel de control unos indicadores de voltaje y corriente de la
carga en el panel de control para visualizar estas variables en caso de que no se esté
haciendo uso de la interfaz de monitoreo.
La tarjeta de adquisición de datos también se encuentra dentro del panel por la
cantidad de conexiones que habría que realizar en caso de que estuviera fuera, sólo sale el
cable de conexión a la computadora. La operación del sistema se detalla en el anexo C.
2. Pruebas y resultados del sistema
Las pruebas y resultados de funcionamiento del sistema se dividen en las pruebas
individuales a cada componente y las pruebas del sistema completo. Las pruebas se
realizaron emulando la carga del sistema como una resistencia pura. Las pruebas se
realizaron de acuerdo a las especificaciones de uso del CIICAp.
cenidet
68
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
2.1. Pruebas y resultados de los componentes
Las pruebas de funcionamiento de los subsistemas se presentan en orden de
desarrollo de cada uno de ellos. Las pruebas se realizaron para evaluar su rendimiento de
acuerdo a su tarea específica.
2.1.1. Seguidor solar
Las pruebas realizadas al seguidor solar tuvieron como finalidad medir la ganancia
obtenida y la eficacia del seguimiento. La época del año en que la trayectoria aparente del
Sol y del seguidor construido coincide fielmente es en los equinoccios de primavera y
otoño, la prueba de eficacia en el seguimiento se realizó en el equinoccio de primavera, por
lo que se esperaba observar un error nulo en el ángulo de altitud y un error menor a 4º en el
ángulo de azimut durante el periodo de seguimiento.
Para poder realizar la prueba de eficacia fue necesario medir el ángulo entre los
rayos solares y la normal a los módulos en el seguidor solar que indicara el error absoluto
del seguidor. Se sabe que la sombra se produce por que la luz es obstaculizada por un
objeto, si colocamos un vástago en dirección de los rayos solares no debe de existir sombra
debida a este objeto, sin embargo si los rayos solares no son paralelos al vástago se
producirá una sombra que estará en función del ángulo entre ellos y de la altura del vástago,
Figura 54 .
69
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
Dirección de
los rayos
solares
Altura del
vástago
Ángulo entre los
rayos solares y el
vástago
Proyección de
la sombra
Figura 54.- Análisis para la medición del ángulo de error
Si se conoce la altura del vástago y se mide la sombra proyectada se puede calcular
el ángulo entre ellos con la siguiente fórmula:
⎛ Proyeccion de la Sombra ⎞
Ángulo error = tan −1 ⎜
⎟
Altura del vástago
⎝
⎠
(4.1)
Para facilitar la medición en campo de la sombra proyectada se realizó un patrón
con el valor impreso del ángulo equivalente a la sombra proyectada. A este patrón se le fijó
el vástago y fue colocado entre los dos paneles que contiene el seguidor solar, Figura 55.
Figura 55.- Patrón de medición del ángulo de error
cenidet
70
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
La sombra proyectada sobre este patrón se divide en dos componentes, la del ángulo
de azimut y la del ángulo de altitud. De la Figura 56, se puede observar que si trazamos dos
ejes sobre los módulos, uno de norte a sur y el otro de este a oeste, la distancia
perpendicular del eje norte-sur hasta la sombra corresponde al error ocasionado por el
ángulo de azimut, y la distancia perpendicular del eje este-oeste hasta la sombra pertenece
al ángulo de altitud. Estos ejes también fueron trazados en el patrón.
Eje del ángulo de
altitud
Eje del
ángulo de
azimut
Figura 56.- Componentes de la sombra proyectada
Los resultados obtenidos se muestran en la Figura 57, se observa que el error
máximo durante el periodo de seguimiento es menor a los 4º establecidos en los
requerimientos de diseño. La resolución aquí observada corresponde sólo al error en el
ángulo de azimut que es el que realiza el movimiento automático.
El error en el ángulo de altitud para la prueba fue de cero por la época en que se
realizó, el valor de éste fluctuara a lo largo del año desde 0º en los equinoccios de
primavera y otoño hasta 23º en los solsticios de verano e invierno, mientras que el error en
el ángulo de azimut siempre observara el mismo comportamiento.
Para obtener un error en el ángulo de altitud menor a lo largo del año se puede
ajustar la altitud del seguidor de manera manual guiándose por la sombra proyectada en el
71
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
patrón a las 12 hora solar del día, aun así siempre existirá un error en el ángulo de altitud a
excepción de los equinoccios.
14
Á n g u lo d e E rro r (g rad o s)
12
Periodo de
seguimiento
10
8
6
4
2
0
7,00
8,00
9,00
10,00
11,00
12,00
13,00
14,00
15,00
16,00
17,00
Hora solar
Figura 57.- Resultados de la prueba de resolución del seguidor
Para observar la ganancia obtenida con el uso de un seguidor solar en comparación
con un módulo en una estructura fija se colocó uno de los módulos con que se contaba
sobre el seguidor y el otro en una posición fija orientado de norte a sur y con una
inclinación igual a la latitud del lugar. Los módulos se colocaron cercanos entre sí para
garantizar condiciones iguales de radiación en la prueba, Figura 58.
Módulo fijo
Módulo en
el seguidor
Figura 58.- Prueba de ganancia con el seguidor
cenidet
72
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Esta prueba resultó no satisfactoria debido a que los módulos aun siendo de la
misma marca y modelo presentaban un rendimiento diferente en las mismas condiciones de
operación. Por lo que se repitió pero ahora utilizando sólo un módulo, que se colocaba en el
seguidor, se realizaba la medición e inmediatamente se movía a su posición fija y se
realizaba la medición.
Los módulos fueron sometidos a una carga resistiva, se midió el voltaje en las
terminales y como se conocía el valor de la resistencia, con lo que pudo obtener la potencia
que estaba produciendo el módulo en condición fija y con seguimiento, Figura 59.
Figura 59.- Medición del rendimiento del seguidor
Los resultados se observan en la Figura 60. La zona sombreada corresponde a la
ganancia en energía obtenida por el uso del seguidor solar en el módulo fotovoltaico. Al
término del seguimiento la caída tan abrupta observada en la potencia de cada módulo
corresponde a la disminución de la radiación solar, Figura 26, y no tanto al término del
seguimiento.
El rendimiento a las 12 hora solar es igual ya que a esa hora el seguidor solar debe
observar la mismo orientación que el módulo fijo. En todo el tiempo restante del periodo de
seguimiento se observa un mejor rendimiento en el módulo colocado en el seguidor solar.
73
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
De manera general, el módulo en el seguidor produjo un 26% más de energía que el
módulo que permaneció fijo, que de acuerdo a la Figura 28 es el mayor rendimiento que se
observará en el seguidor a lo largo del año. En término de energía se generaron 262 Wh en
el modulo sobre el seguidor solar y 207 Wh en el modulo que permaneció fijo, esto es 55
Wh mas en el módulo del seguidor solar. El consumo de energía del seguidor solar es de .4
Wh al día.
Potencia en el modulo (W)
50.00
45.00
Con movimiento
40.00
sin movimiento
35.00
30.00
25.00
20.00
Periodo de
seguimiento
15.00
10.00
5.00
7.00
8.00
9.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
Hora solar
Figura 60.- Comparación de resultados del rendimiento del seguidor solar
La Tabla 4 muestra un resumen de los resultados obtenidos en las pruebas. A las 17
horas el módulo en movimiento observa un error de 12º, que no justifica la caída de
potencia por lo que se atribuye a la disminución de la radiación debido a la hora del día.
Tabla 4.- Resultados de las pruebas al seguidor solar
hora solar
Ángulo error
Potencia Seguidor
8.00
2
28.89
9.00
2
29.85
10.00
2
31.18
11.00
3
32.35
12.00
3
31.31
13.00
2
31.18
14.00
2
30.33
15.00
3
30.60
16.00
3
28.07
17.00
12
5.81
cenidet
74
Potencia fijá
8.09
18.27
27.06
31.36
31.40
31.00
29.23
23.12
10.56
2.53
Potencia ganada
20.80
11.58
4.12
1.00
0.09
0.18
1.10
7.48
17.51
3.28
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
La ganancia negativa de -0.09 a las 12 horas se atribuye a los 3º de error en el
seguidor solar.
2.1.2. Sistema de potencia
Las pruebas al sistema de potencia consistieron en verificar la estabilidad del
sistema en las condiciones de operación establecidas por el CIICAp:
1.- Periodos de trabajo de 8 horas.
2.-Demanda de voltaje constante.
3.-Cambios en la demanda de corriente.
La prueba de estabilidad de máxima potencia se llevo a cabo, con un voltaje a la
salida de 10 V y una corriente de 6 A demandada por una carga resistiva. La finalidad de
esta prueba es observar que no exista ninguna caída de voltaje asociada al calentamiento del
regulador durante el periodo de 8h que dure el proceso de electrólisis. Los resultados se
observan en la Figura 61.
12.00
Voltaje (Volts)
10.00
8.00
6.00
4.00
2.00
08:48 a.m. 10:00 a.m. 11:12 a.m. 12:24 p.m. 01:36 p.m. 02:48 p.m. 04:00 p.m.
Hora
Figura 61.- Resultados de la prueba de estabilidad del regulador de voltaje
75
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
Se observa que aun trabajando a potencia máxima el regulador de voltaje no
presenta ninguna variación en el voltaje entregado, por lo que puede utilizarse en periodos
de trabajo igual a 8 horas.
La segunda prueba realizada al regulador de voltaje fue de estabilidad ante cambios
en la demanda de corriente. Para ello se seleccionaba un voltaje en el regulador y se
conectaba y desconectaba una carga resistiva tal que a los 10 V demandara 6 A. El
intervalo entre un valor y otro de voltaje fue de 1 V, la Figura 62 muestra los resultados
obtenidos.
Se puede observar cierta variación en el voltaje ante variaciones muy fuertes en la
demanda de corriente, la mayor observada fue a los 10 V cuando pasó de 0 a 6 A, y hubo
una variación en el voltaje de 0.2 V, sin embargo las variaciones de corriente reportadas por
el CIICAp no exceden los 500 mA, y en ese rango la variación de voltaje en el regulador
fue de 0.05 V.
Figura 62.- Resultados de la prueba de cambios en la demanda de corriente
cenidet
76
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Con esta misma prueba se puede observar que el regulador es capaz de entregar toda
la corriente que demanda la carga con un máximo de 6 A, aunque en las pruebas se pudo
observar un máximo de 7 A. Y el rango de trabajo de voltaje cumple con lo establecido en
diseño que fue de 0 a 10 V.
Por último se analizó la eficiencia que presenta el regulador en distintas
condiciones, las pérdidas se presentan por la diferencia de voltaje entre la entrada y la
salida del regulador como se expuso anteriormente, ya que las pérdidas internas son
mínimas, con la resolución del sensor no fue posible detectar estas pérdidas. Por lo que
puede asumir que la eficiencia en el regulador equivale a:
Eficiencia =
Vout ×100
Vin
(4.2)
Y lo que se pierde de energía en Watts en el regulador esta dado por:
Pérdidas = (Vin − Vout ) × I
(4.3)
90
80
70
Eficiencia (%)
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
5
6
Voltaje de Salida (V)
7
8
9
10
Figura 63.- Cálculo de la eficiencia del regulador de voltaje
77
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
Si graficamos la eficiencia observada obtenemos la Figura 63, que muestra que
entre menor sea el voltaje utilizado en el experimento de electrólisis menor será la
eficiencia del regulador. La curva de eficiencia presenta un comportamiento similar en los
reguladores conmutados ya que entre mas lejos se encuentre el punto de operación del
punto de diseño de máxima potencia menor es la eficiencia del regulador.
Se pueden analizar de igual manera las pérdidas en el regulador bajo distintas
condiciones de operación, su comportamiento se observa en la Figura 64, en donde se
observa que entre mas sea la corriente de salida mayores serán las pérdidas en el regulador
de voltaje. Su mejor comportamiento es observado cuando el voltaje de salida es igual a
10V.
70
Vout=1 V
60
Perdidas (W)
50
40
30
20
Vout=10 V
10
0
0
1
2
3
4
Corriente de Salida (A)
5
Figura 64.- Pérdidas en el regulador de voltaje
cenidet
78
6
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
2.1.3. Sistema de monitoreo
La primer prueba del sistema de monitoreo consistió en analizar las señales que se
estaban adquiriendo y corroborar que correspondieran con las reales. Para ello se midió de
manera individual cada señal y se cotejó contra el sistema de monitoreo, hubo que ajustar
los valores del sistema de monitoreo por medio de una curva con lo que se logró que la
diferencia entre las señales medidas y las observadas en el sistema sea menor a .01 V en el
caso de las señales de voltaje y 0.01 A en las señales de corriente.
El ajuste final a las mediciones se realizó por software por lo que es fácil
modificarlo en caso de que un sensor o componente de la tarjeta de acondicionamiento de
señales sufriera cambios en su comportamiento por las condiciones de uso o de traslado.
La tarjeta de adquisición de datos tiene un rango de trabajo que se corroboró,
además se hicieron pruebas en los sensores de corriente para observar su funcionamiento a
corriente máxima (6 A), no se presentó calentamiento y siguieron presentando la misma
linealidad, no se observo histéresis en las mediciones.
La interfaz de monitoreo fue sometida a un periodo de trabajo de 8 horas
almacenando datos con el menor intervalo especificado (cada segundo) para garantizar que
el software no saturaba la memoria de la computadora en estos casos, la prueba se realizó
sin contratiempos y al final se obtuvo un archivo de datos de 7.49 MB, es necesario hacer
notar que esto podría variar de acuerdo a las características de hardware de la computadora
utilizada finalmente. Previendo una falla de este tipo el software almacena los datos cada
10 minutos en archivo por lo que no se perderían todos los datos de la prueba en caso de
falla.
79
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
2.1.4. Pruebas al subsistema de almacenamiento de energía
El sistema de almacenamiento de energía consta de dos baterías de ciclo profundo
marca Nautilus modelo NC-27 con capacidad de 100Ah cada una conectadas en paralelo y
un regulador de carga Prostar PS-15M de 15 A de capacidad, durante las pruebas realizadas
la mejor eficiencia observada fue de 96%.
Se realizó una prueba de descarga profunda a las baterías para conocer realmente la
cantidad de energía que son capaces de proveer cuando se encuentran completamente
cargadas.
La prueba consistió en colocarle una carga resistiva 6 A y dejarla conectada hasta el
momento en que el cargador de batería desconectara las baterías del sistema. Al inicio de la
prueba el campo de baterías proveía 13.5 V, al final de la prueba se observo un voltaje de
11.4 V, la duración de la prueba fue de 30 horas con 15 minutos, tiempo en el que el
sistema entregó 2.178 KWh de energía.
De acuerdo a las especificaciones cada batería tiene una capacidad de 100 Ah, que
significa que puede entregar 5 A a su voltaje nominal durante 20 horas, conectadas en
paralelo se tienen disponibles 10 A por 20 horas, y si le exigimos 6 A la pruebo debió durar
33 horas con 20 minutos, se tiene entonces una eficiencia en el almacenaje de 90.75% con
base en la capacidad enunciada por el fabricante.
Se puede concluir que si se realiza un experimento de electrolisis exigiéndole al
sistema 6 A y no se esta produciendo energía en los paneles fotovoltaicos, se tiene
disponible energía por un periodo de 30 horas con 15 minutos para realizar este
experimento, no importa el voltaje a que se haga dentro del rango ya que el resto de energía
se pierde en el regulador de voltaje, que requiere un nuevo desarrollo para evitar estas
pérdidas.
cenidet
80
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
Para demandas de corriente menores se puede determinar que el tiempo aproximado
de energía disponible sin la producción de los paneles fotovoltaicos con la siguiente
fórmula planteada:
t≈
2178
12 × I
(4.4)
Donde I corresponde a la corriente que consume el proceso, 12 es el voltaje
promedio de la batería y 2178 es la energía que el sistema entrego en la prueba de descarga
profunda. La fórmula sólo es válida partiendo de tener las baterías a carga máxima.
No fue posible determinar de manera exacta la energía disponible en las baterías, ya
que en el regulador de cargo sólo se cuenta con indicadores de carga completa, media carga
y descargada. Durante la prueba se observó que el indicador de carga completa permanece
encendido hasta el 80% de la cantidad de energía que entrego y en media carga durante el
resto de la prueba.
2.2. Sistema completo
Se realizó una prueba al sistema para conocer su funcionamiento en conjunto,
utilizando como carga una resistencia para emular el proceso de electrólisis. El voltaje de
alimentación en el proceso fue de 1.35 V y la corriente de 0.91 A correspondientes a un del
reporte del CIICAp, [Álvarez, 2005]. La prueba se realizó durante 7 horas el día 18 de
octubre.
Durante la prueba hubo nubosidad muy densa sin que se presentara lluvia, debido a
estas condiciones los módulos presentaron un comportamiento variable a lo largo del día
condicionado por la nubosidad, Figura 65. Se pueden observar caídas de potencia del orden
del 60% dependiendo la densidad de la nube.
81
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
120.00
Potencia (W)
100.00
80.00
60.00
40.00
20.00
0.00
10:33 a.m.
11:45 a.m.
12:57 p.m.
02:09 p.m.
03:21 p.m.
04:33 p.m.
Hora
Figura 65.- Comportamiento de los módulos en días nublados
Estos resultados dan una idea del comportamiento de los módulos fotovoltaicos bajo
condiciones adversas para tomarse en cuenta en proyectos donde las condiciones climáticas
presenten esta característica durante largos periodos en el año.
Al final de la prueba se produjeron 283 Wh de energía, de los cuales 172 Wh se
almacenaron en las baterías y 92 Wh entraron al regulador de voltaje, el regulador de carga
de las baterías mostró una eficiencia de 94.19%,
De la energía que recibió el regulador de voltaje sólo 10 Wh se utilizaron en el
proceso, el resto se disipó como calor y se utilizó para el funcionamiento del extractor de
aire del regulador. La eficiencia con la que se desempeñó fue de 10.94%, valor que ya se
esperaba por el bajo voltaje a la salida, con lo que se puede comprobar de acuerdo a la
Figura 63 que es posible determinar la eficiencia del regulador de voltaje con la ecuación
(4.2) previo a un experimento.
La Figura 66 muestra el rendimiento general del sistema, se observa que aun con las
condiciones meteorológicas adversas durante la prueba el sistema produjo más energía de la
que se consume para su operación.
cenidet
82
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
10 Wh
92 Wh
283 Wh
Regulador
de Carga
94.19 %
Regulador
de Voltaje
10.94 %
172 Wh
Figura 66.- Rendimiento general del sistema
Si el experimento hubiese sido a potencia máxima, en la entrada del regulador de
voltaje se hubiesen tenido 267 Wh y en el proceso 223 Wh, suficiente para alimentar al
proceso durante 3 horas sin necesidad de utilizar la energía de las baterías.
En un día soleado se capta aproximadamente 620 Wh. Tomando en cuenta la
eficiencia de los componentes observada, se podría abastecer el sistema en su punto de
máxima potencia por 8 horas y 6 minutos antes de que el sistema requiera de la energía
almacenada en las baterías. En un día con lluvia constante, la máxima potencia observada
fue de 20W, con una captación total de 150 Wh aproximadamente, que aportaría la energía
necesaria para trabajar en el punto de máxima potencia sólo por una hora y 57 minutos.
Tabla 5.- Rendimiento del sistema en distintas condiciones de operación
Condición
climatológica
Energía
Funcionamiento del proceso sin uso de las baterías con
demanda de corriente diferente
producida
(horas)
(Wh)
1
2
3
4
5
6
Soleado
620
49
24
16
12
10
8
Nublado
267
21
10
7
5
4
3
Lluvioso
150
12
6
4
3
2
2
83
cenidet
Capítulo IV
Integración y pruebas del sistema
La Tabla 5 muestra un resumen de lo que el sistema produce en distintas
condiciones de operación y la cantidad de tiempo que se puede realizar una prueba sin la
utilización de la energía en las baterías con un voltaje de 10 V en el proceso y distintas
corrientes, de 1 a 6 A .
La Tabla 6 corresponde a la cantidad de energía que el proceso puede recibir
directamente de los paneles fotovoltaicos en las distintas condiciones de operación, y bajo
una demanda de voltaje diferente, 1 a 10 V, tomando en cuenta que las pérdidas en el
regulador de voltaje dependen del voltaje del proceso.
Tabla 6.- Energía suministrada al proceso por el sistema
Condición
climatológica
Energía al proceso de los paneles fotovoltaicos con
Energía
distintos voltajes
producida
(Wh)
(Wh)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Soleado
620
49
97
146
195
243
292
341
389
438
487
Nublado
267
21
42
63
84
105
126
147
168
189
210
Lluvioso
150
12
24
35
47
59
71
82
94
106
118
La energía producida es un aproximado de lo observado en los días de prueba, este
valor presentará variaciones a lo largo del año por lo que sólo se debe tomar como una
referencia y no como un valor exacto. La Figura 28 se puede tomar como referencia de lo
que se captara con el sistema a lo largo del año.
cenidet
84
Conclusiones y trabajos futuros
1. Conclusiones
En el presente trabajo de investigación se diseñó y construyó un prototipo funcional
de un sistema fotovoltaico para su aplicación como fuente de energía para procesos
electroquímicos, con la adición al sistema de un seguidor solar para mejorar su eficiencia.
Se realizó el análisis de los módulos fotovoltaicos para determinar de manera teórica la
mejora que se obtendría con un seguidor solar y la cantidad de energía que produciría el
sistema.
Se analizaron los diferentes tipos de seguidores en el mercado obteniendo
características de cada una para su análisis, se obtuvo la trayectoria aparente que dibujan en
el espacio, además de que se analizó la trayectoria de seguimiento de cada seguidor de
acuerdo a su eje de rotación para obtener una idea del algoritmo de control que se debe
seguir.
La simulación de la ganancia obtenida con cada tipo de seguidor solar, el análisis de
su trayectoria y eje de rotación, el entendimiento de las ecuaciones para obtener la
trayectoria aparente del Sol y la obtención del algoritmo de control en los seguidores
solares permitieron desarrollar un seguidor solar controlado por cálculos astronómicos con
una resolución que se encuentra dentro de las especificadas en los seguidores solares
comerciales.
85
cenidet
Conclusiones y trabajos futuros
Las pruebas del sistema y la simulación realizada permiten obtener un panorama
general del funcionamiento de los módulos fotovoltaicos bajo diferentes condiciones de
operación. Su uso y aplicación puede entonces diseñarse de manera mas objetiva para
garantizar el funcionamiento del sistema sin problemas de abastecimiento, tomando en
cuenta los factores que afectan su rendimiento.
Con base en los resultados obtenidos, aun con estas consideraciones del rendimiento
del sistema, se puede proveer energía a los procesos que actualmente se realizan en el
CIICAp con solo la energía producida en los módulos, siendo sólo necesario el uso de las
baterías en condición de lluvia cuando los módulos presentan su menor rendimiento.
Se analizó la ganancia que se obtiene en la producción de energía a través de
módulos fotovoltaicos con el uso de un seguidor solar, con lo que se puede concluir:
•
Se cumplió la hipótesis planteada al inicio de este proyecto, obteniendo un
rendimiento mayor de 26% con el uso del seguidor solar.
•
Las condiciones meteorológicas suponen una disminución considerable en el
rendimiento del sistema proporcional a la densidad de las nubes o lluvia
presentada, la caída en potencia llega hasta 60% de acuerdo a la densidad de
la nube.
•
La suciedad en la superficie de los módulos afecta el rendimiento de los
mismos, es recomendable limpiar la superficie de manera periódica para
evitar la acumulación de polvo, se observó un aumento del 0.5% después de
limpiar la superficie de los módulos.
•
La adición de un segundo eje en un seguidor solar aporta una ganancia
adicional de 5%, que no justifica su adición.
cenidet
86
Prototipo fotovoltaico con seguimiento del sol para procesos electroquímicos
•
Entre los seguidores solares de un eje el que reporta un mejor rendimiento a
lo largo del año es el seguidor solar polar.
•
El método de seguimiento por cálculos astronómicos presenta una buena
resolución que puede incluso disminuirse acortando los tiempos de ajuste, en
las pruebas el error fue menor a 3º.
•
Al no utilizar sensores el seguidor solar no es afectado por las condiciones
climatológicas.
•
El incremento de la eficiencia en la generación de energía con el uso de
seguidores solares supone tener un área menor instalada en instalaciones
fotovoltaicas, que redunda en un menor costo inicial de las instalaciones.
•
El costo del seguidor solar, anexo C, no resultó redituable para este proyecto
ya se obtuvo un 26% mas de generación de energía, pero con lo que costo se
hubiese podido comprar otro modulo y se obtendría un 50% mas de energía.
2. Mejoras y trabajos futuros
El regulador de voltaje desarrollado presenta pérdidas muy considerables por lo que
se debe mejorar y migrar en tecnología al uso de convertidores conmutados más eficientes.
Este nuevo desarrollo debe realizarse en conjunto con el CIICAp de manera que las
especificaciones de diseño puedan acotarse para la obtención de mejores resultados.
Se hace notar también la necesidad de utilizar la energía generada ya que con los
procesos actuales realizados el sistema producirá más de lo utilizado y al cargarse
completamente las baterías esa energía dejara de producirse.
Es factible continuar la línea de investigación aportando ahora el control sobre el
proceso de electrólisis o desarrollando tecnología propia para el resto de los componentes
del sistema: módulos fotovoltaicos, regulador de carga y baterías.
87
cenidet
Conclusiones y trabajos futuros
Finalmente cuando el CIICAp determine el voltaje de operación optimo en su
proceso de electrolisis y la potencia requerida se podrá desarrollar un convertidor CD-CD
específico incrementando considerablemente la eficiencia del componente.
cenidet
88
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92
Anexo A
Electrólisis y energía
Solar
La naturaleza intermitente de la energía solar hace necesario que esta
sea
almacenada antes de utilizarse para garantizar un abastecimiento continuo y estable,
actualmente esto se hace a base de baterías de ciclo profundo las cuales son especialmente
desarrolladas para aplicaciones de energía fotovoltaica, debido a que estos sistemas son
poco eficientes se están desarrollando otras formas de almacenamiento.
Una alternativa que esta siendo estudiada actualmente es el almacenamiento de la
energía como producto químico obtenido a través de un proceso de electrólisis, esto es
factible ya que los procesos de electrólisis son alimentados directamente por corriente
directa y esto evita que se tenga que convertir a corriente alterna evitando las pérdidas
inherentes a esta conversión.[Montes, 2006]
Actualmente, el CIICAp esta investigando la producción de Hidrógeno H2 y
Peróxido de Hidrógeno H2O2 por electrólisis en función del potencial aplicado. De manera
paralela se esta implementando la energía solar como fuente de energía de estos procesos
de electrólisis. [Alvarez, 2005]
Debido a que lo que se va a alimentar por medio del prototipo es un proceso de
electrolisis, se debe conocer su comportamiento como carga eléctrica y requerimientos
hacia el sistema fotovoltaico para que este funcione correctamente como fuente de energía.
[Rzayeva, 2001]
93
1) Resistencia de los electrólitos
La electrolisis es la descomposición de una sustancia por el paso de una corriente
eléctrica a través de ella. En el caso de las soluciones electrolíticas, la conducción de
corriente se da mediante los iones de la disolución, los cuales se mueven en distintas
direcciones bajo la acción del campo eléctrico producido por la diferencia de potencial
aplicado. La disolución se considera como un conductor iónico que sigue la ley de Ohm.
[Bard, 1980] Para cierto volumen de disolución, la resistencia medida R correspondiente
está dada por:
R=ρ
l
A
(1.1)
Donde ρ es la resistividad ( Ω ⋅ cm ) de la solución, A ( m 2 ) es el área transversal a
través de la cual se produce el flujo eléctrico y l es la distancia entre los dos eléctrodos
( cm ). La conductancia electrolítica ( GE ) esta definida como la inversa de la resistencia
cuya unidad es el Siemens (S), y de la ecuación (1) obtenemos:
GE =
1 A
A
⋅ =χ⋅
ρ l
l
(1.2)
Donde χ ( S ⋅ cm−1 ) es la conductividad de la disolución definida como la inversa
de la resistividad. La conductividad es una medida de la facilidad con que los portadores de
carga se mueven bajo la acción del campo eléctrico. El valor de la conductividad dependerá
del número de iones presentes.
Conductividad
Concentración
Figura 67.- Variación de la conductividad con la concentración
94
El comportamiento mostrado en la figura 1 es en general igual para todos los
electrolitos. Existe un aumento inicial de la conductividad a medida que aumenta la
concentración hasta un valor máximo, esto se debe a que existe un mayor número de iones
dispuestos para la conducción. A partir del valor máximo la conductividad empieza a
disminuir, debido a que las interacciones asociativas entre los iones dificultan la
conducción de la corriente. Debido a esto, la corriente requerida durante el proceso de
electrólisis también presentara una variación si mantenemos la diferencia de potencial
constante. [LEF, 2007]
2) Voltaje y corriente
Si a un sistema electroquímico en equilibrio se le aplica una diferencia de potencial
entre los electrodos, la sustancia se disocia. Partiendo del equilibrio, situación en que no
existen reacciones netas de oxidación o reducción, se puede aumentar la diferencia de
potencial entre ambos eléctrodos, esto generará una corriente eléctrica que circula entre
ambos eléctrodos que aumenta con la diferencia de potencial entre estos.
Densidad de
Corriente
Voltaje
Figura 68.- Comportamiento de la corriente en función del voltaje
El comportamiento de la demanda de corriente en función del voltaje en un proceso
de electrólisis se observa en la figura 2, como se ve, la curva presenta un limite vertical que
se presenta cuando se presenta la máxima transferencia de masa que se puede lograr con el
electrodo utilizado. Esto significa que aunque el voltaje sea aumentado, el electrodo no es
capaz de conducir más masa y por lo tanto más corriente. [LEF, 2007]
95
Productos obtenidos
1) Peróxido de Hidrógeno H2O2
El Peróxido de Hidrógeno (conocido también como agua oxigenada) es un líquido
incoloro a temperatura ambiente con sabor amargo. Es inestable y se descompone
rápidamente a oxigeno y agua con liberación de calor. Es no inflamable y es un agente
oxidante potente que puede causar combustión espontánea cuando entra en contacto con
materia orgánica.
En la industria se utiliza para el blanqueado de telas y papel, como componente de
combustible para cohetes y para fabricar espuma de caucho y sustancias químicas
orgánicas.[ATSDR, 2007]
2) Hidrogeno
El Hidrogeno es el elemento químico más ligero, a temperatura ambiente se
encuentra como hidrogeno diatómico, un gas inflamable, incoloro e inodoro. La
combustión que se da de manera espontánea en condiciones ambientales emite una flama
azul pálido casi invisible.
Es industrialmente producido por electrólisis de agua, en
procesos de reformación de hidrocarburos o la oxidación parcial de carbón o hidrocarburos.
Industrialmente se usa como materia prima para la producción de amoníaco,
metanol, agua oxigenada, polímeros y solventes. En procesos de hidrogenación de grasa
animal o aceites vegetales y en la producción de vitaminas y otros productos farmacéuticos.
También se usa en procesos de tratamiento térmico, en industria de vidrio, en soldadura y
otras aplicaciones metalúrgicas como un inerte o reductor de atmósfera, y actualmente
como fuente de energía en celdas de combustible.[ATSDR, 2007]
96
Anexo B
Manual de operación
del prototipo
Conexiones del prototipo
Las conexiones que hay que realizar se llevan a cabo en la parte frontal del panel de
control, donde se conecta la alimentación del seguidor solar, los módulos fotovoltaicos, las
baterías y la carga del sistema por medio de conectores banana, Figura 69. Se cuenta con
etiquetas que indican la polaridad y componente a conectar en cada conexión, en la parte
lateral se localiza la conexión al puerto USB de la computadora.
Indicadores
de estado de
la bateria
Indicador de
producción
de los
módulos
Encendido
de los
Indicadores
Selector del
tipo de
batería
Ajuste del
voltaje de
salida
Indicadores
de Voltaje y
Corriente
Interruptores
de
conexiones
Conexiones
Figura 69.- Diagrama del Panel de control
Operación del panel de control
97
1. Colocar todos los interruptores de conexión en su posición de apagado “o”.
2. Realizar las conexiones de los componentes, de acuerdo a lo indicado
anteriormente. La computadora puede ser omitida o conectada durante el proceso.
3. Encender la conexión a las baterías, primer interruptor de encendido de izquierda a
derecha. Se encenderán los indicadores de estado de las baterías en secuencia una
vez, si esto no sucede revise la conexión de las baterías, a continuación pueden
presentar alguno de las siguientes combinaciones en los indicadores:
No.
1
2
3
4
5
6
Combinación
Parpadeo,
Significado
Batería con carga completa
Batería con media carga
Batería con poca carga y advertencia de desconexión
Carga no conectada por baja energía en la batería
Error en la selección del tipo de batería
Desconexión por alta temperatura
encendido,
apagado,
parpadeo en secuencia
En caso de presentarse de la combinación 1 a la 4 se puede continuar con el paso 4,
la combinación 5 se corrige seleccionando el tipo adecuado de batería utilizada con
el selector. El estado 6 indica un calentamiento en el cargador de baterías que se
podría presentar por un mal funcionamiento o sobrecarga, habrá que esperar a que
se enfrié para poder continuar.
4. Encender el interruptor de conexión de los módulos fotovoltaicos. Si los módulos
están produciendo energía se encenderá el indicador de producción de los módulos.
Al conectarlos se puede presentar el siguiente error mostrado en los indicadores de
estado de las baterías, si es así verificar que los módulos que se encuentren
conectados en paralelo.
No.
7
Combinación
Significado
Desconexión por alta tensión
98
5. Encender el interruptor de conexión del seguidor solar, último de izquierda a
derecha. Este paso puede ser omitido en caso de que no se quiera utilizar el seguidor
solar. También puede activarse durante el proceso.
6. Encender el interruptor de conexión de la carga. Si existe algún mal funcionamiento
en la carga se indicará de la siguiente manera:
No.
8
Combinación
Significado
Corto circuito en la carga o sobrecarga
7. Seleccionar el voltaje requerido en la carga. Se puede utilizar encender el indicador
de voltaje para hacerlo o la indicación en la interfaz de monitoreo en caso de que se
este utilizando.
De manera general el encendido se realiza activando los interruptor de conexión en
secuencia de izquierda a derecha. Con estos pasos se realiza el encendido del sistema,
durante el tiempo que dure el proceso no es necesario ningún ajuste más en el panel de
control. Al apagarlo se recomienda realizar la secuencia de derecha a izquierda. Si se
requiere dejar funcionando el seguidor solar es necesario dejar conectadas las baterías. Los
indicadores de voltaje y corriente se pueden encender en cualquier momento del proceso, la
energía para funcionar la adquieren de baterías individuales por lo que se recomienda
apagarlos mientras no sean utilizados.
Operación de la interfaz de monitoreo
1. Ejecución del programa. Es necesario que se encuentre conectado el módulo para
ejecutar el software si no marcara un error de funcionamiento. Una vez conectado el
panel de control con la computadora se ejecuta el programa de monitoreo,
morelitos.exe. La pantalla principal muestra el voltaje y corriente en los puntos
monitoreados sin la necesidad de accionar algún control, Figura 70.
99
Fichas de las ventanas
Botón de fin de
ejecución
Figura 70.- Pantalla principal de la interfaz de monitoreo
2. Almacenamiento de datos. Para comenzar a almacenar datos accedemos a la
pantalla de Tabla de Datos, en primer lugar seleccionamos el tiempo de muestreo de
los datos a almacenar y a continuación activamos el control de encendido, Figura
71.
Figura 71.- Pantalla de captura de datos de la interfaz de monitoreo
100
La captura de los datos se puede detener y reanudar en cualquier momento
accionando el control de encendido. Cada ocasión que se detenga se solicitará un
nombre para el archivo de datos generado y los archivos de imagen de la grafica de
voltaje y corriente del proceso. Las demás pantallas de la interfaz muestran graficas
de comportamiento del sistema.
3. Fin de la ejecución. Para finalizar la ejecución del programa es necesario primero
detener la captura de datos para que se guarden los datos, posteriormente accionar el
botón de fin de ejecución en la pantalla principal. Si no se detiene antes la captura
de datos estos no se almacenan y se pierden.
101
Anexo C
Concepto
Costo del prototipo
Cantidad
Seguidor Solar
Estructura del seguidor
Tarjeta de control
Actuador lineal
Unidad
Costo
unitario
Total
Lote
Pza
Pza
3,500
700
1,500
5,700
3,500
700
1,500
Sistema de monitoreo
Tarjeta de adquisición de datos
Tarjeta de acondicionamiento de señales
Licencia de software
1
Pza
1
Pza
1 Licencia
2,000
700
700
3,400
2,000
700
700
Sistema de almacenamiento de energía
Regulador de carga
Baterías
1
2
Pza
Pza
2,500
1,600
2,500
3,200
Módulos Fotovoltaicos
2
Pza
6,000
12,000
Pza
400
400
1,000
1,000
1
1
1
1
Regulador de Voltaje
1
Panel de control, cables y conexiones
Costo total del prototipo construido
Lote
$
103
22,500
Anexo D
Dibujos técnicos del
seguidor solar
En la presente sección se muestran los dibujos técnicos de las piezas que conforman
el seguidor solar y su ensamble.
105
106
107
108
109
110