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MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO
Tema A1b Automatización y control mecánico: (Mecanismos y Mecatrónica)
“Sistema mecatrónico FV automatizado como fuente de energía auxiliar para autos eléctricos autónomos”
Camarillo-Escobedo Rosaa*, Valderrama-Cháirez Joséb, Martínez-Rangel Ivana, Rodriguez-Antunez Bernardoa, López-Villalobos Joséb, Perez-Ruvalcaba Manuelb.
a Tecnológico Nacional de México; Instituto Tecnológico de la Laguna, Blvd. Revolución y Calz. Cuauhtemoc S/N, Col Centro, Torreón, Coah., C.P.
27000, Mex. bTecnológico Nacional de México; Instituto Tecnológico de Nuevo León, Av. Eloy Cavazos #2001, Col Tolteca, Guadalupe, N.L., C.P. 67170, Mex.
*Autor contacto: [email protected]
R E S U M E N
En la actualidad la industria automotriz está orientada hacia el desarrollo de vehículos eléctricos e híbridos por lo que
resulta necesario la implementación de nuevos elementos para una mejor eficiencia energética. El presente trabajo propone
la incorporación de un sistema fotovoltaico como fuente alternativa para la autonomía de vehículos eléctricos. El prototipo
comprende un sistema mecatrónico automatizado de seguimiento solar a dos ejes para una máxima captación de radiación
y la instrumentación electrónica asociada así como un sistema SCADA con comunicación inalámbrica para el monitoreo
y control. Los resultados demostraron que el sistema es sustentable y sostenible. El consumo de potencia para este sistema
podría ser mantenido con una batería recargable de ciclo profundo. La estabilidad y respuesta fue evaluada utilizando un
carrito de golf para generar el seguimiento solar sobre una superficie móvil.
Palabras Clave: Vehículos eléctricos, sistema fotovoltaico, seguidor solar.
A B S T R A C T
Currently the automotive industry is oriented towards the development of electric and hybrid vehicles, which makes it
necessary to implement new elements for better energy efficiency. The present work proposes the incorporation of a
photovoltaic system as an alternative source for the autonomy of electric vehicles. The prototype comprises an automated
mechatronic system of two-axis solar tracking for maximum radiation uptake and associated electronic instrumentation as
well as a SCADA system with wireless communication for monitoring and control. The results showed that the system is
sustainable. The power consumption for this system could be maintaining with a deep well rechargeable battery. Stability
and response was evaluate using a golf car to generate solar tracking on a moving surface.
Nomenclatura
A Área m2
d Diámetro de engrane m
d1 Diámetro de paso del piñón mm
d2 Diámetro de paso de la
corona.
mm
f Fuerza kN
Fr Fuerza resultante kN
Imp Corriente maxima potencia A
Isc Corriente en corto circuito A
n Eficiencia %
Na Numero de dientes del
piñón
-
Nb Numero de dientes de la
corona (Engrane Grande).
-
N Numero de dientes -
N1 Transmisión arrojada por el
motor.
rpm
N2 Transmisión deseada. rpm
P Potencia W
Pe Potencia radiactiva W
Pm Potencia medida W
T Temperatura °C
Tc Temperatura del modulo °C
Vmp Voltaje maxima potencia V
Vm Voltaje medido V
Voc Voltaje circuito abierto V
wa Velocidad del piñón rpm
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wb Velocidad de la corona
(Engrane grande).
rpm
Wt Carga transmitida kN
t Incremento de temperatura °C
Vt Diferencia de voltaje
medido al voltaje nominal
V
1. Introducción
Los autos eléctricos precedieron a los de combustión
interna, llegando a adquirir cierta popularidad, sin embargo,
el precio accesible del petróleo, así como su versatilidad
frente a otras fuentes de energía, llevaron al auto eléctrico a
la decadencia. Fue hasta que se tomó conciencia de la alta
dependencia del petróleo, de que este, es una fuente de
energía no renovable y que es altamente contaminante, que
se volvió a mirar hacia la investigación y desarrollo de autos
eléctricos. Aun así, en la actualidad, los autos a gasolina
tienen mayor presencia en el mercado mundial debido a la
gran desventaja que se tiene en la poca duración de la carga
en las baterías usadas. Una alternativa a este problema, es el
aprovechamiento de la energía cinética del automóvil
mediante un sistema de frenado regenerativo [1]. En años
recientes, se ha buscado la manera de reducir los
contaminantes y la producción de gases de efecto
invernadero derivado de la quema de combustible fósil. En
este contexto, se tiene una alternativa al problema de
optimización de energía y contaminación, incorporando
sistemas fotovoltaicos que aprovechen la energía solar
durante su operación bajo la exposición al Sol. Con la
reducción en los costos de la tecnología fotovoltaica, resulta
viable la construcción de sistemas basados en este recurso.
La energía solar es una fuente limpia e inagotable presente
en todas partes del mundo [2], y se ha identificado como una
fuente alternativa de electricidad [3] [4]. Cada año el Sol
arroja 4 mil veces más energía que la que consumimos, por
lo que su potencial es prácticamente ilimitado. En buenas
condiciones, el valor promedio de la potencia de la radiación
es de aproximadamente 1kW/m² en la superficie terrestre.
La potencia y orientación de la radiación solar varía según
el día del año, la hora, las condiciones atmosféricas y la
latitud del lugar de posición del panel solar FV. Por estos
cambios en la orientación, la energía solar obtenida por
paneles situados sobre seguidores solares es superior a la
obtenida por paneles fijos. Las investigaciones y desarrollos
han demostrado que un diseño mecánico optimizado, junto
con un sistema electrónico de seguimiento robusto y
altamente fiable, puede llegar a conseguir aumentos en la
captación solar superiores al 30% de media con respecto a
sistemas FV sin seguimiento. La conversión de energía solar
es uno de los tópicos más importantes de investigación en
energías renovables. Existen diversas formas de realizar esta
transformación, una de ellas, consiste en convertir la energía
solar en energía eléctrica, utilizando paneles FV (Solar
Eléctrica) y otra es convertirla en energía térmica, para la
producción de vapor (Solar Térmica), utilizando
concentradores solares. Encontrar fuentes de energía para
satisfacer el nuevo desarrollo automotriz de vehículos
eléctricos, es uno de los retos más importantes de esta
industria. El reto de convertir, la luz solar en electricidad a
través de células solares FV en el vehículo, es lograr una
autonomía con base en una mayor eficiencia energética de
la captación solar. Un sistema FV de seguimiento solar,
resulta en una buena estrategia para la mejora de la
eficiencia [5].
El movimiento diurno y estacional de la tierra afecta a la
intensidad de la radiación en los sistemas solares. Los
seguidores solares son utilizados para compensar estos
movimientos, manteniendo la mejor orientación relativa al
Sol. Aunque el uso de seguidores solares no es esencial, su
uso puede aumentar desde el 10 al 100% dependiendo de la
fecha y las condiciones geográficas. Se han evaluado
sistemas de seguimiento solar para determinar la eficiencia
en cada uno, siendo el más eficiente los que integran un
seguimiento en eje polar y los de eje azimut/altitud (dos ejes)
[5]. Sin embargo, no se recomienda utilizar el seguidor solar
para pequeños paneles solares, debido a las pérdidas de alta
energía en los sistemas de conducción. Por otro lado, se ha
encontrado que el consumo de energía del dispositivo de
seguimiento solar es del 2 al 3% respecto al incremento de
energía adquirida.
Un seguidor solar puede ser implementado mediante el
uso de un solo eje, sin embargo, para una mayor precisión y
eficiencia en los paneles solares FV, se implementan
sistemas de seguimiento solar en dos ejes [6]. Se describe un
seguidor solar como un dispositivo que mantiene el panel
FV (fotovoltaico) o CFV (foto-térmica) en una posición
óptima, perpendicular a la radiación solar durante las horas
diurnas, aumentando la energía recogida. El primer seguidor
introducido por Finster en 1962, fue completamente
mecánico. Un año más tarde, Saavedra presentó un
mecanismo con un control electrónico automático, que se
utilizó para orientar un Pirheliómetro Eppley [7]. Los
seguidores no tienen que apuntar directamente al Sol para
ser efectivos, si el objetivo se encuentra a 10°, la salida es
aún 98.5% del máximo con un seguimiento completo. En
zonas nubladas, los seguidores logran una ganancia en el
rango del 20%. Generalmente, en una buena zona, las
ganancias anuales típicas se encuentran entre el 30 y el 40%,
y la ganancia en cualquier día dado puede variar desde casi
cero a casi el 100% [8]. Para lograr una mayor captación de
radiación, Thomson analizó el rendimiento del control de
dos posiciones de un plato concentrador único. El colector
fue girado alrededor de su eje inclinado solo dos veces por
día con deflexiones predefinidas. Los resultados indicaron
que el uso de un sencillo seguidor, con la entrada de baja
energía por un breve movimiento diario, aumenta el
rendimiento energético en un 10 al 20% [9]. Helwa et al,
estudió la energía solar captada por diferentes sistemas de
seguimiento solar. Calcularon la energía solar recogida
usando medidas globales, haz de radiaciones y radiación
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difusa en una superficie horizontal. Cuatro sistemas fueron
utilizados en sus experimentos: 1: Sistema fijo con el ángulo
de inclinación de 40° hacia el sur; 2: Seguidor de un eje
azimutal con ángulo de inclinación de 33°, 3: Seguidor de
un eje orientado en la dirección N-S con 6° de ángulo de
inclinación y 4: Sistema de seguimiento de dos ejes, un eje
vertical y el otro horizontal. Se desarrollaron fórmulas para
tres modos de radiación que entran en contacto con las
superficies y mediante un programa se calcularon y
almacenaron las radiaciones diarias para cada sistema. La
comparación entre los datos calculados y medidos mostró un
promedio anual por hora con una desviación cuadrática
media (RMSD) de 5.36, 9.07, 7.92 y 5.98 para el seguidor
del eje vertical, eje inclinado fijo y de dos ejes
respectivamente. Todos los valores fueron de un rango
aceptable [10]. Lorenzo et al., diseñaron un seguidor de un
solo eje vertical (eje de azimut) para evaluar características
de seguimiento de paneles solares FV. Cada uno de los 400
seguidores instalados en España utilizan un motor de CA
estándar de 0.25 HP. El ángulo de inclinación de las
superficies FV se mantuvo constante. Mencionaron que la
energía captada por un seguidor azimutal ideal fue de un
40% superior que la correspondiente a una superficie
inclinada fija de manera óptima y del 10% mayor que la de
seguimiento de eje horizontal. Calcularon las sombras de E-
O y N-S entre dos rastreadores adyacentes ocurridos en la
mañana o por la tarde. Recomendaron, que cuando se
produce el sombreado en la superficie, este puede evitarse
moviendo el ángulo azimut de su valor ideal, lo suficiente
para conseguir la sombra limítrofe que pasa por la esquina
de la superficie adyacente (marcha atrás). Su comparación
mostró que el seguimiento azimut en tierra fue de 40%
mayor que la superficie estática mientras que el
correspondiente costo de energía se puede reducir
significativamente [11]. Pavel et al. Analizaron teórica y
experimentalmente la energía captada con seguimiento y sin
seguimiento en sistemas solares FV bifacial y no bifacial. El
efecto del seguimiento calculado y medido mostró un
incremento del 30 al 40% en energía captada, mientras que
para el seguimiento de caso con paneles bifaciales, dio un
aumento de la energía captada del 50 a 60% [12]. La
cantidad de energía recogida por un panel FV con seguidor,
depende de las condiciones locales así como la eficiencia del
mismo panel [13] [14]. Esta eficiencia se logró por la
incorporación de un control electrónico, el cual fue usado
para orientar de manera automática los paneles solares FV
hacia la región de mayor incidencia de radiación. [15].
Los sistemas de seguimiento solar se clasifican en pasivos
(mecánicos) [16] y activos (eléctricos) [17] que utilizan
motores para orientarse. Los seguidores solares pasivos, se
basan en la expansión térmica de un material (por lo general
freón) o en aleaciones con memoria de forma (AMF) para
desarrollar un seguimiento azimutal capaz de dirigir
sistemas FV [18]. Este tipo de seguidores se compone de dos
opto-actuadores que trabajan unos contra otros, para
equilibrar o igualar la iluminación percibida. La diferencia
en la iluminación de los actuadores genera un desequilibrio
en las fuerzas que se utilizan para la orientación del aparato
en tal dirección donde se iguale la iluminación y restablezca
el equilibrio de fuerzas en los actuadores. La implementación
de seguidores solares activos se pueden categorizar en los
basados en microprocesador y sensor electro-óptico, los
basados en el control de fecha y hora de la PC [19], en base
a células solares bifaciales auxiliares y una combinación de
estos tres sistemas. Los seguidores solares Electro-ópticos
se componen generalmente de al menos un par de foto-
resistencias o células solares fotovoltaica conectados en
anti-paralelo, las cuales son de igual intensidad de
iluminación de ambos elementos, equilibrado
eléctricamente de manera que o bien no hay o hay una
despreciable señal de control en un motor de accionamiento.
En células solares bifaciales auxiliares, las células solares
bifaciales sensan y accionan el sistema en la posición
deseada y el control de fecha y hora de la PC, la PC calcula
la posición solar con respecto al algoritmo de la fecha y hora
y crean las señales para el control del sistema [19]. Para
seguidores solares de un eje tanto como el Seguidor solar
azimutal que realiza el giro alrededor de un eje vertical [20],
como el seguidor solar horizontal, donde la superficie gira
en un eje horizontal [21] se han empleado actuadores
rotacionales, con el objetivo que la normal a la superficie
coincida en todo momento con el meridiano local que
contiene al Sol teniendo por lo tanto una velocidad de giro
variable a lo largo del día. Para el caso de seguidor solar de
dos ejes [22] [23], se ha incorporado un actuador lineal para
modificar la inclinación de los paneles y un actuador
rotacional para la orientación del mismo. Otro desarrollo
consistió en el diseño de un seguidor solar de un eje más
ligero, de carga distribuida, con un costo de fabricación
reducido y diseñado para las cubiertas de los edificios. El
soporte del panel consiste en cuatro láminas elásticas que
permiten inclinar el panel colector según el giro diario, Este-
Oeste [24]. El movimiento se realiza mediante hilos tensores
que están atados al borde del panel y tiran de éste por el
movimiento de un motor. El mecanismo está situado,
mediante los flejes, sobre un soporte metálico que permite
desplazarlo de forma sencilla. El control se basó en un
microcontrolador Arduino ATMega16 y un potenciómetro
angular para medir el ángulo exacto de inclinación [25]. En
otros sistemas de seguimiento solar incorporado algoritmos
basados en cartas solares, calculan los ángulos azimut y de
elevación que permiten generar el movimiento de los
motores de cada eje, dando por resultado un
posicionamiento en el punto de máxima irradiación [26].
La tendencia en el desarrollo de autos eléctricos es la
implementación de sistemas híbridos que combinan fuentes
de energía renovable. Estos sistemas híbridos constan de dos
o más fuentes de energía, un equipo de acondicionamiento
de potencia, un controlador y un sistema opcional de
almacenamiento de energía. Se deben considerar los
diferentes factores de pérdidas energéticas que pueden
existir en la instalación de un sistema FV y que dependen
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fundamentalmente de la selección de los componentes del
sistema y el modo de instalarlos.
El presente trabajo propone la incorporación de un
sistema FV como fuente alternativa para la autonomía de
vehículos eléctricos. El prototipo comprende un sistema
mecatrónico automatizado de seguimiento solar a dos ejes la
instrumentación electrónica asociada así como un sistema
SCADA con comunicación inalámbrica para el monitoreo y
control. Para el sistema mecánico se diseñaron dos tipos de
estructuras y mecanismos; uno basado en engranes y
motores DC; y otro basado en un rodamiento base y dos
actuadores lineales. La instrumentación inteligente se basa
en la adquisición y pre-procesamiento de las señales que
provienen de un sistema de sensores para la medición de
radiación solar, humedad y temperatura, así como también
la medición y monitoreo de la posición azimutal, la energía
y potencia entregada por el panel fotovoltaico y la carga de
la batería. El acceso al sistema de control electrónico se
realiza a distancia mediante una HMI-SCADA y
comunicación inalámbrica. La electrónica de control es
basada en microcontroladores de alta gama, puertos de
comunicación inalámbrica. La programación y pantallas
HMI se realizaron mediante software de instrumentación
virtual.
2. Marco Teórico
2.1. Movimiento de la Tierra
El movimiento orbital de la Tierra no es uniforme. La
velocidad lineal media es de unos 29.8 km/s. Este
movimiento viene determinado por la segunda ley de Kepler
o ley de las áreas, según la cual el radio vector que une el
Sol con un planeta, barre áreas iguales en tiempos iguales.
[27]
Durante su movimiento de traslación alrededor del Sol,
el eje de rotación de la Tierra se desplaza paralelamente a sí
mismo, conservando prácticamente invariable su dirección
en el espacio y formando siempre el mismo ángulo Ɛ con la
normal al plano de la eclíptica. Este ángulo Ɛ se denomina
oblicuidad de la eclíptica y su valor es de 23°45’. [28]
Figura 1 – Coordenadas celestes a) horizontales b) horarias. [27]
Para determinar la posición del Sol sobre la esfera celeste,
dada por una pareja de ángulos denominados coordenadas
celestes, Fig. (1), es necesario establecer previamente algún
sistema de referencia. Las coordenadas horizontales son:
El azimut, arco de horizonte celeste comprendido
entre el punto cardinal Sur y el punto donde el círculo
vertical que pasa por el astro corta al horizonte. Se cuenta a
partir del Sur, de 0° a ±180°, positivamente hacia el Oeste y
negativamente hacia el Este. [28]
La altura, arco de dicho círculo vertical comprendido
entre el astro y el horizonte. Se mide a partir del horizonte
de 0° a 90°, positivamente hacia el cenit y negativamente
hacia el nadir. [28]
En lugar de la altura se emplea frecuentemente el ángulo
cenital, z , que es el arco de círculo vertical entre el cenit y
el astro. Se cuenta a partir del cenit, de 0º a 180º, con lo que
la relación entre la altura solar y el ángulo cenital viene dada
por la ec. 1
90z (1)
Las coordenadas horarias son:
El ángulo horario, , que es, por definición, el arco del
ecuador celeste entre el meridiano superior del lugar y el
circulo horario que pasa por el astro. Se mide sobre el
ecuador a partir del punto de intersección entre el meridiano
superior del lugar y aquel, de 0° a ±180°, positivamente
hacia el Oeste y negativamente hacia el Este. [28]
La declinación, , es, por definición, el arco del círculo
horario que pasa por el astro, comprendido entre el ecuador
y éste. Se cuenta a partir del ecuador de 0° a ± 90°,
positivamente hacia el polo Norte y negativamente hacia el
polo Sur. El ángulo que forman los planos del horizonte y
del ecuador depende de la latitud geográfica del observador.
Una expresión comúnmente usada para calcular el azimut se
indica en la ec. 2. [28]
coscos cos
sen sen sen
(2)
2.2. Energía solar
El potencial de energía solar en México, es uno de los más
altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del
territorio nacional son zonas con una insolación media del
orden de los 5 kWh, el doble del promedio en EUA. La
radiación solar es el flujo de energía que recibimos en forma
de ondas electromagnéticas siendo su unidad de medida la
potencia en vatios (W), mientras la Irradiancia es la
magnitud utilizada para describir la potencia incidente por
unidad de superficie (W/ m2) esto se muestra en la Fig. 2.
Para cuantificar la cantidad de energía que entrega una
potencia variable con el tiempo, es necesario determinar el
a b
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área bajo la curva de potencia, mediante la herramienta
matemática de integración como se indica en la ec. (3)
2
1
( )
t
t
Energía P t dt (3)
Figura 2 – Irradiancia-tiempo en un día. [27]
Dividendo ambos lados de la ecuación entre m2, tenemos:
2
1
2 2
( )t
t
Energía P tIrradiación dt
m m (4)
2.3. Efecto Fotovoltaico
La absorción de la luz es simplemente, la conversión de la
energía contenida del fotón incidente en alguna otra forma
de energía, típicamente calor. Sin embargo, algunos
materiales tienen la propiedad de convertir la energía
incidente de los fotones en energía eléctrica. En la Fig. 3 se
observa que de acuerdo a la energía del fotón, un electrón
puede alcanzar un nivel de energía lo suficientemente alto
como para ser liberado del átomo, entonces, los electrones
libres pueden ser capaces de moverse en el material, por
ejemplo, bajo la influencia de un campo eléctrico.
Figura 3 – Efecto fotovoltaico. [27]
Si se disponen contactos eléctricos en ambos lados de la
celda, y se conecta una carga eléctrica, los electrones deben
fluir hacia fuera del lado n, pasar a través de una carga y
entrar por el lado p de la celda. Dado que los huecos no
pueden viajar por los conductores (ya que solo son
representaciones electrostáticas), solo los electrones pueden
moverse a través del circuito eléctrico y cuando éstos llegan
a el lado p se recombinan con los huecos completando el
circuito. A este fenómeno se le conoce como efecto
fotovoltaico. Como es de esperarse, no toda la luz solar
incidente en la superficie de la celda es aprovechada, pues
hay pérdidas por recombinación de cargas, sombreado,
transmisión y reflexión de la luz, además de que una gran
parte de la energía de las longitudes de onda de la radiación
solar no es aprovechada. Los paneles fotovoltaicos son
dispositivos que se encargan de transformar parte de la
radiación solar que incide en ellos en energía eléctrica y sus
principales componentes son las celdas de silicio.
3. Desarrollo del Sistema mecátronico
3.1. Análisis de la Orientación y movimiento del panel FV
La declinación es una función continua del tiempo. La tasa
de cambio máxima de la declinación es en los equinoccios,
con un valor aproximado de 0.5° /día. El ángulo horario (Os)
es el desplazamiento angular del Sol (hacia el este u oeste)
respecto al meridiano local debido a la rotación de la Tierra,
sobre su eje, a 15º/hora. - Por la mañana: Os < 0. - Por la
tarde: Os > 0. Considerando el movimiento angular que debe
de tener cada eje, se consideró el movimiento de altitud el
cual cuenta con un desplazamiento de 180° de Este-Oeste,
durante 13 horas de luz solar en La Comarca Lagunera al
igual que en la Cd. Monterrey. La posición geográfica de la
Región lagunera de Coahuila es 25°53’ y de Monterrey, N.L
25°14’.
Figura 4 – Orientación geográfica del panel [29].
Considerando que se tienen 13 horas de luz emitidos en
el plano de 180° se definió 13.84° aproximadamente 14° por
hora. Por lo que se tiene que el ángulo de desplazamiento es
de 180°-14°*2= 152°, que es espacio de movimiento del
panel.
Fue seleccionado un panel FV modelo PLM-100P/12 de
36 celdas de material policristalino, con una longitud=1.062
m; ancho=0.67 m y un peso de 10.4 kg. La potencia nominal
del módulo es P=100 W. Se utilizaron conectores de
aluminio MC4. Las características eléctricas del panel
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fueron las siguientes: Voc=22 V; Vmp= 18.3 V; Isc=6.21 A;
Imp=5.74 A.
3.2. Diseño Mecánico
Para la orientación del panel solar de acuerdo a los ángulos
de movimiento fue necesaria la implementación de un
sistema mecánico robusto y eficiente. Para optimizar el
espacio y lograr estabilidad sobre una superficie móvil, se
diseñaron y evaluaron dos prototipos de estructura de
soporte y mecanismos. Para realizar el movimiento azimut
y de altitud fueron evaluados y seleccionados dos tipos de
actuadores: en base a motor de corriente continua y en base
a actuador lineal.
Prototipo 1
El sistema mecánico se basó en un seguidor azimut/altitud y
se muestra en la Fig. 5. Este tipo de seguidor tiene su eje
primario vertical respecto a la superficie. El eje secundario
es perpendicular al primario. Este tipo de seguidor de dos
ejes consta de una estructura sencilla de soporte y no
requiere estar a gran altura de la superficie de montaje. Este
tipo de seguidor ubica a los paneles solares frente al Sol
girando alrededor de su eje vertical un ángulo conocido
como Azimut, y elevando la inclinación de los paneles a la
Altitud a la que se encuentra el Sol. Su diseño consistió en
una estructura de base tipo poste fabricada en polín sólido y
PTR cuadrado.
Figura 5- Estructura del seguidor prototipo 1.
La estructura tiene un peso total de 55 kg. Las
dimensiones fueron de 1.4 m x 1.2 m x 0.74 m. El soporte
del panel solar FV consistió en un marco fabricado en
ángulo de acero AISI 10-20. Se diseñó e integró un
mecanismo basado en un sistema de engranes piñón-corona.
Para el desarrollo de movimiento azimutal, se fabricó un
engrane de d=26 cm, diente=1 cm y ancho de cara=1 cm con
paso diametral=40 mm. El piñón tiene un diámetro d=4.5
cm, con igual paso diametral de 18 mm y ancho de diente=1
cm, el cual está incrustado a un motor de DC. Para el
movimiento de altitud se integró medio engrane con d=28
cm, paso diametral=31 mm del mismo material al anterior el
cual fue extraído de un auto sedan VW y acoplado al
sistema. Este engrane se hace girar por un piñón de 4 cm de
diámetro con paso diametral de 33 mm y de espesor 1 cm
esto se observa en la Fig. 6. Fue seleccionado un motor de
DC con una velocidad de 25 rpm y potencia de 30 W. La
transmisión necesaria para mover el mecanismo de acuerdo
a ec. (5) fue de 3.84 rpm y la velocidad de la corona fue de
-0.59 rpm de acuerdo a ec. (6).
Figura 6- Sistema de engranes prototipo 1.
2 1 a
b
N
NN N
(5)
a a
b b
w N
w N (6)
De acuerdo al módulo de los engranes de 1.5 mm, d1=18 mm
y d2= 40.5 mm. La carga transmitida del piñón a la corona
fue de Wt=12.73 kN de acuerdo a ec. (7).
1
60000*t
HW
d v (7)
Por lo tanto la fuerza Fr=45.08 kN es mucho mayor a la
fuerza requerida para mover el mecanismo ya que para
moverlo solo es requerido 50.32 Nm.
Prototipo 2
Este Sistema mecánico consistió en un seguidor de
inclinación (TIP-TILT) tiene su eje primario horizontal
respecto a la tierra. El eje secundario es perpendicular al
primario. Los ejes de rotación de este tipo de seguidor están
típicamente alineados con el Norte magnético o con algún
paralelo Este-Oeste. Uno de los ejes permite orientar al
panel en su posición Norte-Sur y el otro en la posición Este-
Oeste. Este sistema consistió en una estructura de base tipo
poste y soporte tipo cruz del panel solar FV ambos
fabricados en aluminio 3003-O con un peso total de 23 kg.
La estructura tiene una dimensión de 1.40m x 1.2m x 0.35
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m. El mecanismo consta de una rotula y capucha colocada
entre el soporte cruz y el actuador como se muestra en la Fig.
7. La rotula tiene un diámetro de 5 cm para sujeción a la
capucha y diámetro de 2.5 cm para sujeción al poste para
lograr mayor soporte y estabilidad en el panel FV.
Figura 7 - Estructura de soporte prototipo 2.
Para la selección del actuador lineal se considera la carga vs.
velocidad; el tiempo de funcionamiento y la longitud del
recorrido. Fueron seleccionados dos actuadores lineales
Sandorobotics, con una velocidad de desplazamiento de 1.3
cm/s, por lo que en 5.38 s, alcanza la inclinación necesaria
de 23º que requiere el movimiento del seguidor. Estos
actuadores cuentan con una máxima carga de empuje de
1500 Nm y un torque de 7000 Nm, con una longitud de
carrera de 15 cm que trabaja a 12 v y un consumo de 3 A
con carga máxima.
Para encontrar el posicionamiento adecuado de los
actuadores lineales fue necesario la implementación de la
ley de senos de acuerdo a la ec. (8)
7.519
23x cm
sen
(8)
Para lograr el ángulo de inclinación necesario de 23°, la
distancia del poste a uno de los extremos de la base del
módulo FV, fue necesario considerar un actuador lineal con
punto de partida de 7.5 cm para poder lograr el movimiento
de altitud ya que al salir y contraerse totalmente el vástago
genera el movimiento del panel solar hacia el Este-Oeste y
un segundo actuador lineal genera el movimiento de Norte-
Sur, como se muestra en la Fig. 8. Tomando en cuenta que
el paso de carrera del actuador (15cm) subirá +7.5cm y
bajara -7.5cm, tenemos que con la relación trigonométrica,
la distancia del poste al eje de rotación del actuador es de 19
cm.
Figura 8 - Estructura de soporte prototipo 2.
3.3. Sistema de Potencia
Para el sistema de potencia se realizaron las interconexiones
entre todos los dispositivos del sistema mecatrónico para la
generación de energía fotovoltaica como se muestra en la
figura 9. Se utilizó un panel fotovoltaíco Perlight pnm-100
p/12.
Figura 9 – Diagrama a bloques de conexiones.
El regulador fue configurado con voltaje de carga mínimo
de 9 v y máximo de 13 v, operando las 24 horas. Para realizar
el monitoreo de la carga-descarga de la batería de
almacenamiento de energía, fue necesario llevar a cabo un
acondicionamiento de la señal de voltaje a parámetros que
pudieran ser adquiridos por el ADC con resolución de 10
bits del control. Esto consistió en una relación proporcional
de 12:5 volts. Y una relación de 22:5 volts para la medición
del voltaje entregado por el panel. La electrónica de potencia
con control digital fue aislado mediante opto-acopladores,
evitando así retornos de corrientes que puedan dañar la
tarjeta de control, la etapa fue implementada para ser
aplicada en ambos prototipos. Los drivers para los
actuadores se activan con los 5 volts que envía el
microcontrolador desde la tarjeta de control, para
direccionar el sentido de los actuadores. Para el
almacenamiento de la energía fue utilizada una batería de
ciclo profundo LTH modelo L-29DC-210 que son para
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aplicaciones marinas y fotovoltaicas y libres de
mantenimiento para soportar un alto número de descargas
profundas y ser recargados sin afectar su desempeño esto
sirve de respaldo para el banco de baterías que utiliza el
vehículo realizando una interconexión entre ambos a un
convertidor eléctrico Boost converter DC12-48. El
regulador de carga tiene la función de proteger a la batería
cuando se esté recargando por los paneles solares, así como
para el desvío de la carga del sistema hasta que la batería
alcance una carga óptima, modificando la intensidad de los
pulsos evitando que la batería se sobrecargue. El regulador
carga a la batería por medio de PWM.
3.4. Sistema sensorial
En la instrumentación asociada al sistema de sensores se
tendrá que verificar la compatibilidad de dispositivos
electrónicos, para poder lograr la comunicación entre el
microcontrolador y sensor. La temperatura es un parámetro
importante a considerar en la operatividad del panel, esto
debido a la relación que existe entre temperatura y corriente.
A demás de afectar la vida útil y eficiencia del mismo en el
orden del 0.3 al 5% dependiendo del tipo de célula; silicio o
arseniuro de galio. Fue integrado un sensor de temperatura
y humedad DHT11 [30], el cual tiene una interfaz serial
propietaria, para la comunicación con el microcontrolador a
una frecuencia de 1 Hz. Se emplearon 5 módulos de sensores
ópticos LDR para la medición de la intensidad de luz
ambiental. La salida analógica permanecerá en nivel alto
hasta que la intensidad de luz supere el umbral que se haya
fijado. La diferencia de esta cantidad provoca un cambio en
el de voltaje de salida. El voltaje de salida digital es "0"
cuando la intensidad de luz excede el valor fijado y
viceversa. El voltaje de salida analógico aumenta con la
intensidad de la luz. El diagrama de instrumentación
electrónica se muestra en la Fig. 10.
Figura 10 – Diagrama de instrumentación electrónica.
Para la medición de radiación nocturna, se utilizó un sensor
TSL-2561 [31] a un rango dinámico (lux): 0.1 a 40,000 lux
el cual solo será activado para tránsito de baja intensidad
lumínica o para el ahorro de energía cuando se activen los
faros del auto eléctrico híbrido. Este sensor mide luz visible
e infrarrojo, por canales independientes para la generación
de datos de radiación solar, se consideró la BD del Centro
Meteorológico Nacional de la CNA.
3.5. Sistema de control y comunicaciones
El control fue implementado para realizar las operaciones
de adquisición de datos, monitoreo de señales, control de los
actuadores y los enlaces de comunicación con la PC. El
módulo de control integra un microcontrolador PIC 18f4550
[32] a una frecuencia de 8 MHz. El algoritmo de control fue
desarrollado en MikroC PRO for PIC [33]. La comunicación
se establece mediante el puerto serial a una velocidad de
9600 bps. Fueron utilizados módulos Xbee PRO serie 2 con
un alcance de 90 m para establecer una comunicación de RF
[34] punto a punto configurando la PC como emisor
(coordinator) y el tablero del auto eléctrico como receptor
(end-device). Fue desarrollado un sistema SCADA
mediante software de instrumentación visual LabVIEW [35]
para el monitoreo y control de las señales de humedad,
temperatura, módulos de luz, carga de la batería y voltaje
generado por el panel. Esta pantalla virtual se muestra en la
Fig. 11. En la interfaz del SCADA la sección de
“COMUNICACIÓN” se configura el puerto COM para
realizar el enlace con el módulo de RF y poder establecer la
comunicación entre la PC y el módulo Xbee. Cuenta con
botones para la adquisición de datos, almacenamiento de los
datos en archivo. En la sección de “CONTROL DEL
SEGUIDOR” el sistema permite operar al seguidor en modo
Autónomo y modo Manual. De modo manual se puede
manipular de forma directa los actuadores y en modo
autónomo el seguidor solar opera de forma automática. Los
datos de humedad, temperatura, módulos de luz, voltaje
generado por el panel y carga de batería se pueden visualizar
en los demás indicadores que se muestran en la interface.
Figura 11 – Sistema SCADA con comunicación inalámbrica.
4. Resultados
Las pruebas de campo para el sistema mecatrónico para el
seguimiento solar fueron realizadas en Torreón, Coahuila,
durante un periodo de 5 días del 9 al 13 de mayo del 2017
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donde se adquirieron datos de temperatura, humedad y
voltajes. Con los resultados proporcionados por
CONAGUA en la gráfica se puede apreciar, los altos niveles
de radiación con máximos de 1000 W/m2 que se muestran
en la Fig. 12.
Figura 12 – Radiación Solar de 1 semana en Torreón, Coah.
El sistema de control y adquisición de datos SCADA
logro enlaces de comunicación obteniendo señales en
tiempo real de parámetros ambientales así como el control
de actuadores. Considerando que en la Cd. De Torreón se
tiene una irradiancia= 1071.71 W/m2 y un área de captación
del panel FV =0.71154 m2; la potencia radiactiva Pe=762.56
W, de acuerdo a ec. (9):
Pe = (área m2)(Irradiancia W/m2) (9)
De acuerdo a la ec. (10) con P=100 W, la eficiencia fue de
13.11%.
Ps
Pe (10)
Las celdas solares son afectadas por la temperatura debido a
que al aumentar ésta, disminuye el voltaje del diodo. Para
una celda de silicio tenemos ec. (11)
2.3ddV mVCdT
(11)
En apariencia, 2.3 milésimas de volt no representan mucho,
pero al considerar que es solo por cada grado centígrado y
por cada celda. Teniendo incrementos de varias decenas de
grados centígrados y muchas celdas en serie, este factor si
es muy sensible. Dado que la potencia depende directamente
del voltaje, la energía que produce la celda también lo es, de
aquí la gran importancia de este parámetro (pérdidas por ∆T)
en el dimensionado de sistemas fotovoltaicos. Para el efecto
de la temperatura en la producción de voltaje del panel FV
se considera la ec. (11).
0.0023(# )( C) ( )T T
VV celdas
C
(11)
Es importante señalar que hay una diferencia en la
temperatura ambiente, y la temperatura en la celda FV.
Considerando Voc=22 V y Vm=19.12 V, tenemos un ∆VT=
2.88 V. Para 36 celdas policristalinas correspondientes al
panel FV, de ec. (11) se encontró ∆T =34.29°C, por lo tanto
la temperatura de la celda es Tc=25°C + 34.29= 59.29°C,
considerando una temperatura ambiente de 25°C. De
acuerdo a la Fig. 13 (a), la temperatura máxima registrada
en el muestreo fue de 38°C por lo tanto la Tc=72.29°C. La
Fig. 13 (b) muestra los datos adquiridos por el sistema
SCADA de la humedad relativa.
Figura 13 – Gráfica (a) Temperatura; (b) Humedad relativa.
La potencia real entregada considerando las perdidas por
temperatura fue, de acuerdo a un valor de máxima potencia
Vmp=18.3 - ∆VT = 15.42 V; si Imp=5.74 A; la potencia real
entregada fue P=88.51 W correspondiente a una eficiencia
de 88.51%, con una perdida por temperatura del 11.49 %.
Los resultados obtenidos en la generación de energía entre
un sistema fijo y el prototipo 2 muestran un promedio
semanal de 13.01 V y 19.12 V respectivamente, lo que
demuestra que el sistema mecatronico FV con seguimiento
logró un incremento del 27.77 % en el voltaje generado
durante el muestreo, logrando compensar la pérdida por
temperatura. Esto se puede observar en la Fig. 14 (a)-(b).
En la Tabla 1 se muestra un comparativo entre los dos
prototipos desarrollados. La principal desventaja mostrada
en la operación del prototipo 1 fue que aun teniendo una
mayor área de movimiento en ambos ejes, el cableado
eléctrico mostró un entrecruzamiento en el giro azimut.
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 200 400 600 800 1000 1200
Rad
iaci
ón
so
lar
(W/m
2)
Muestreo de una semana (1muestra /10minutos)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
09
:40
10
:20
11
:00
11
:40
12
:20
01
:00
01
:40
02
:20
03
:00
03
:40
04
:20
05
:00
Hu
med
ad R
elat
iva
%
Tem
per
atu
ra °
C
Hora de muestreo
(b)
(a)
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Figura 14 – Gráfica comparativa de voltajes promedio (a) sistema
móvil; (b) sistema fijo.
Esto se podría corregir con estrategias de control más
complejas para evaluar los grados de desplazamiento y
evitar el entrecruzamiento del cableado. Otra desventaja que
se presento es que se tienen los mecanismos expuestos al
ambiente por lo que requiere de mayor mantenimiento. En
lo referente a la selección de materiales, el prototipo 2
fabricado en aluminio, tiene un peso menor en un 42%, lo
que lo hace viable al momento de necesitar menor energía
para el desplazamiento del vehículo eléctrico híbrido. La
principal desventaja presentada en el prototipo 2 es el alto
costo al incorporar materiales de aluminio. Existe una
estrecha relación entre el consumo eléctrico del sistema
mecatrónico y el material de fabricación y el peso del
mismo.
Tabla 1 – Características de ambos prototipos mecánicos.
Características Prototipo 1 Prototipo 2 Peso 55 Kg 23 Kg
Dimensión 1.4m x 1.2m x 0.75m 1.4m x 1.2m x 0.35m
Torque máximo 45 KNm 7000 Nm
Área de trabajo Azimut 360° y Altitud
180°
150° Norte-Sur y Este-
Oeste
Mantenimiento 3 veces x año Libre de
mantenimiento
Costo $3000 $8500
Las pruebas del sistema mecatronico FV como fuente de
energía alternativa en vehículos eléctricos híbridos se
realizaron en la recarga de la batería que alimentó a un
carrito de golf eléctrico el cual tiene como tiempo de recarga
por lo menos de 8 a 12 horas cuando la batería es agotada en
su totalidad. Al contar con el sistema instalado en el toldo,
este vehículo mantuvo su operación por 7 horas en intervalos
de operación de 15 min bajo la exposición del Sol
incrementando su autonomía en su operación. Al utilizar
energía FV este sistema fue más respetuoso con el medio
ambiente.
4. Conclusión
De los resultados obtenidos de los 2 prototipos desarrollados
para el sistema mecatronico FV, el sistema con base en
actuadores lineales demostró cumplir con los requerimientos
del sistema, tomando en cuenta la estabilidad, tiempo de
respuesta y eficiencia en generación-consumo energético.
Este sistema tiene un peso 42% menor en comparación con
el prototipo 1, lo que facilita su instalación en el toldo del
vehículo. Por otro lado, los actuadores cuentan con un menor
consumo de corriente eléctrica en el orden de un 10% en
comparación al sistema de engranes y motores, y no tiene la
restricción del entrelazado de cables, además de reducir
caídas de voltaje por longitud del cableado entre actuadores
y sistema de potencia. Con base en los muestreos realizados
de 5 días continuos, se demostró que el sistema mecatrónico
móvil incremento en 27.77% la generación de energía en
comparación a un sistema fijo. Este sistema mantuvo en
operación a un vehículo eléctrico al menos durante 7 horas
a una velocidad mínima logrando un incremento en su
autonomía.
Como trabajo futuro, en una segunda etapa de este
proyecto, el prototipo 2 será interconectado al sistema de
frenado regenerativo para aumentar la eficiencia energética
y autonomía del vehículo híbrido.
Agradecimientos
Los autores agradecen al M.C. Eduardo Guajardo Mesta y al
M.C. David González Flores del Instituto Tecnológico de la
Laguna por su colaboración en temas de diseño mecánico
así como el desarrollo de las simulaciones requeridas.
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0
5
10
15
20
25
11
:10
11
:30
11
:50
12
:10
12
:30
12
:50
13
:10
13
:30
13
:50
14
:25
15
:05
15
:45
16
:25
17
:05
17
:45
Vo
ltaj
e (V
)
Hora
Panel Fijo vs Móvil
(a)
(b)
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