Design and
implementation of a single axis solar tracker for the optimization of a 100=
W
photovoltaic system applying mathematical calculations and industrial
automation
Mayra
Alejandra Pacheco Cunduri.[1], =
Isidoro
Enrique Tapia Segarra.[2] <=
/span>& Esteban Augusto Guevara Cabezas.[3]
Recibido: 23-04-2020 / Revisado: 14-05-2020 / Aceptado: 24-06-2020 / Publicado: 03-07-2020=
<=
span
style=3D'font-size:12.0pt;line-height:115%;font-family:"Times New Roman",se=
rif;
mso-ansi-language:ES-EC'>Abstract.
This work focuses on the design of a single-axis s=
olar
tracker, which will allow the optimization of energy capture from a 100-watt
photovoltaic solar system implemented in the city of Riobamba, province of
Chimborazo. Initially, mathematical calculations are carried out on
environmental and physical parameters important in the selection of the opt=
imal
materials for the mechanical structure of the solar tracking system and its
construction, also important for the proper selection of the electronic and
automatic control elements necessary for the single-axis solar tracker. The
designed system is composed of electronic sensors of current, voltage,
irradiance and HDR's, which make it possible to calculate the nominal power
generated by the solar tracker, the total irradiance captured by the solar
panel over time during the day, solar elevation angle (altitude) and solar
azimuth angle; values from which and using mathematical methods, programming
and automatic control techniques, have allowed in this work to design and p=
rogram
2 solar tracking algorithms: solar tracking by astronomical programming and
solar tracking by light point, guaranteeing with them an incidence
perpendicular to the sun on the system during the day and thus achieving the
objective of maximum energy capture and maximum production of the photovolt=
aic
system. In the system, the information obtained from the census variables a=
nd
the calculated values is stored on a microSD memory card and through an
ethernet connection the user can view them in real time through a graphic
interface (HMI). Finally, once the monitoring algorithms have been implemen=
ted
and the system is in operation, using as a reference a 100 W photovoltaic
system with fixed positioning installed in the city of Riobamba under the s=
ame
conditions as the single axis solar monitoring system, it is carried out a
comparison between this and the photovoltaic system for solar tracking of a
horizontal axis, counteracting the values of the surveyed variables and the
calculated values of nominal power, irradiance, solar elevation angle
(altitude) and solar azimuth angle measured for each one systems. From whic=
h it
is concluded that the one-axis solar tracking system exceeds the fixed
photovoltaic system in efficiency in values between 8.51% to 35.46%.
Keywords: single-axis solar tracker, alternative energies, energy efficiency,=
solar
panels, energy captation.
Resumen.
El presente
trabajo se enfoca en el diseño de un seguidor solar de un eje, el cual
permitirá la optimización de captación de energía de un sistema solar
fotovoltaico de 100 vatios implementado en la ciudad de Riobamba, provincia=
de
Chimborazo. Inicialmente se realizan cálculos matemáticos sobre parámetros
ambientales y físicos importantes en la selección de los materiales óptimos
para la estructura mecánica del sistema de seguimiento solar y su construcc=
ión,
además importantes también para la selección apropiada de los elementos
electrónicos y de control automático necesarios para el seguidor solar de un
eje. El sistema diseñado, está compuesto por sensores electrónicos de
corriente, voltaje, irradiancia y HDR´s, los cu=
ales
hacen posible el cálculo de la potencia nominal generada por el seguidor so=
lar,
irradiancia total captada por el panel en el transcurso del tiempo durante =
el
día, ángulo de elevación solar (altitud) y ángulo de azimut solar; Valores a
partir de los cuales y utilizando métodos matemáticos, de programación y
técnicas de control automático, han permitido en este trabajo diseñar y
programar 2 algoritmos de seguimiento solar: seguimiento solar por programa=
ción
astronómica y seguimiento solar por punto luminoso, garantizando con ellos =
una
incidencia perpendicular del sol sobre el sistema durante el día y consigui=
endo
así el objetivo de máxima captación de energía y máxima producción del sist=
ema
fotovoltaico. En el sistema, la información obtenida de las variables censa=
das
y los valores calculados, se almacena en una tar=
jeta
de memoria microSD y mediante una conexión ethernet el usuario puede
visualizarlas en tiempo real mediante una interfaz gráfica (HMI). Finalment=
e,
una vez implementados los algoritmos de seguimiento y estando el sistema en
funcionamiento, utilizando como referencia un sistema fotovoltaico de
posicionamiento fijo de 100 W instalado en la ciudad de Riobamba bajo las
mismas condiciones que el sistema de seguimientos solar de un eje, se reali=
za
una comparación entre este y el sistema fotovoltaico de seguimiento solar d=
e un
eje horizontal planteado, contrarrestando los valores de las variables cens=
adas
y los valores calculados de potencia nominal , irradiancia, ángulo de eleva=
ción
solar (altitud) y ángulo de azimut solar medidos para cada uno de los siste=
mas.
A partir de lo cual se concluye que el sistema de seguimiento solar de un e=
je
supera en eficiencia al sistema fotovoltaico fijo en valores entre 8,51% al
35,46%.
Palabras
claves: energías alternativas, eficiencia
energética, paneles solares, captación energética, seguidor solar de eje
horizontal.
Introducción.
En la actualidad los combustibles fósiles son
utilizados en su mayoría como fuentes primarias de energía para a través de=
su
conversión producir energía térmica y energía eléctrica. Pero el inconvenie=
nte
del uso de ellos es que los procesos de combustión, extracción, conversión =
y el
transporte de estos combustibles fósiles genera una consecuencia directa en=
el
daño al medio ambiente por efecto invernadero. Aproximadamente un 80% de la=
s emisiones
de dióxido de carbono a nivel mundial provienen del consumo y de la
transformación de los combustibles fósiles en diferentes formas de energía.=
(
A partir de estudios realizados e información obte=
nida
por la corporación para la investigación energética C.I.E., “La ubicación
geográfica del Ecuador, lo convierte en un país privilegiado en lo que a re=
curso
solar se refiere. Esto se debe a que el ángulo de incidencia de la luz sola=
r es
perpendicular a nuestra superficie durante todo el año, situación que no oc=
urre
en otros sitios del planeta, en donde el ángulo de incidencia de la luz sol=
ar
varía acorde a las estaciones del año”. ( =
Alonso Montes et al., 2007)
Esta condición nos pone como ecuatorianos en una
condición que puede ser una gran oportunidad para la incursión en el campo =
de
la Energía solar y esta puede llegar a ser una de las grandes potencias en
generación de energía eléctrica en el país. Ya que, debido a nuestra ubicac=
ión
privilegiada (Zona Ecuatorial) poseemos horas de sol aproximadamente 12 h
constantes durante el día. Existen varias tecnologías utilizadas en sistema=
s de
captación: seguidores solares fijos, seguidores solares de un eje y seguido=
res
solares de 2 ejes (Miranda Armas, 2015). La tecnología más apropiada para el
seguimiento solar en el Ecuador por sus condiciones es la que usa un eje
horizontal la cual puede ser aplicada a grandes centrales fotovoltaicas ubi=
cada
en la zona ecuatorial. (García
Reyes & Peñate Santos, 2016)
Los paneles fotovoltaicos son elementos encargados=
de
realizar la captación de la radiación solar directa e indirecta para
transformarla en corriente eléctrica a una potencia nominal propia de cada
panel solar, estos paneles pueden llegar a alcanzar su punto de máxima pote=
ncia
cuando la radiación solar incide de manera perpendicular a los rayos solare=
s,
es decir logrando que a lo largo del día el panel y los rayos solares se
encuentren de forma perpendicular (Bhuvaneswari=
et
al., 2013). Para conseguir este objetivo se han creado los sistemas de
seguimiento solar los cuales tienen como objetivo intentar reproducir el co=
mportamiento
de los girasoles, el cual hace que el panel permanezca todo el tiempo de ma=
nera
perpendicular al sol lo que maximiza la captación de radiación solar como s=
e ha
mencionado. (Rana, 2013)
Para el presente estudio se han utilizado datos
provenientes de un sistema fotovoltaico de 100 W instalado en la ciudad de
Riobamba, provincia de Chimborazo en el cual se utilizan los paneles solare=
s de
forma fija. Este sistema está compuesto por una estructura metálica empotra=
da y
fija, pero al tener esta condición de rigidez el sistema no presenta un máx=
imo
rendimiento de captación solar. Debido a lo expuesto el presente estudio
plantea la necesidad de implemente un sistema de seguimiento solar de un eje
horizontal el cual funcione con un mecanismo automatizado para la operación=
óptima
del sistema fotovoltaico de 100 W en la ciudad de Riobamba provincia de
Chimborazo, el cual realiza su movimiento en un grado de libertad siguiendo=
el
movimiento del sol en la dirección de Este a Oeste; captando de esta manera=
el
panel solar la máxima radiación solar incidente.
Se realiza una comparación de los datos energéticos
obtenidos por el sistema de captación solar fijo, y el sistema fotovoltaico=
de
seguimiento solar implementado, con el fin de definir cuál de los dos siste=
mas
presenta mejores eficiencias en captación y transformación de la energía so=
lar.
Bajo las condiciones de operación planteadas para los mismo. Buscando de es=
ta
manera demostrar que el seguidor solar de un eje permite un máximo
aprovechamiento de la energía solar.
La implementación de este sistema de seguimiento s=
olar
de un eje permite el máximo aprovechamiento de la energía solar y la produc=
ción
optima de energía del Sistema fotovoltaico de 100 W, Siendo una ventaja para
los equipos a los cuales abastece el sistema, ya que les permite contar con
energía óptima y continua disponible para su funcionamiento durante todo el
día. Además, la implementación de =
este
seguidor solar de un eje sirve de mucha utilidad para la comunidad Politécn=
ica,
y resulta de gran aporte a los Centros de Investigación existentes en la ES=
POCH
y la Facultad Informática, los cuales realizan constantemente investigación=
en
el área de las energías renovables también llamadas energías limpias,
beneficiando de igual manera al personal docente y estudiantil, permitiéndo=
les
poner en práctica los conocimientos adquiridos durante la carrera.
Metodología.
El Sistema seguidor solar de un eje, se ha instala=
do
en la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Alimentando a los equipos=
de
la estación meteorológica ubicada en las cercanías de la facultad de cienci=
as.
El seguimiento solar se realiza en un eje, siguiendo el movimiento del sol =
el
cual durante el día va de Este a Oeste desde el amanecer hasta el atardecer=
. De
este modo se logra la máxima captación de radiación solar incidente y
permitiendo además visualizar los parámetros del sistema como: potencia nom=
inal
generada, corriente nominal, voltaje, ángulo azimutal y ángulo de elevación
solar en un sistema HMI instalado en conjunto con el sistema.
Para la implementación del sistema planteado se ha
implementado la metodología planteada en la figura 1, la cual detalla los p=
asos
a seguir para diseño y construcción del sistema de seguimiento solar de un =
eje.
Inicialmente se parte desde el estudio y el análisis de los factores y
variables que influyen en el funcionamiento del sistema fotovoltaico.
Es decir, que se realiza un análisis de las
condiciones climáticas bajo las cuales el sistema debe operar (Velocidades =
de
viento, presión del aire sobre el sistema físico, etc<=
/span>)
considerando que el sistema debe operar dicho sistema en las peores condici=
ones
climáticas sin fallar. Una vez realizado el análisis en la primera etapa, se
realiza el diseño de un mecanismo de control automático para el seguimiento
solar utilizando los diferentes métodos o algoritmos de seguimiento conocid=
os.
Como siguiente paso la metodología plantea la construcción del mecanismo de
control de seguimiento solar, seguido de la realización del diseño y
construcción del sistema electrónico para luego continuar con la programaci=
ón
del controlador (PLC) y finalmente concluir con el diseño y programación del
HMI (Interfaz Hombre Máquina) la cual permitirá al usuario del sistema poder
lograr una lectura de las variables arrojadas por el sistema y un control m=
ucho
más sencillo del mismo.
Figura 1. Metodología y fases para Implementación de un
Seguidor Solar de un eje
Fuente: Elaboración
propia.
El sistema de seguimiento solar de un eje, está formado por una estructura metálica móvil, q=
ue
permitirá sostener la parrilla que soporta al panel solar de 100 W. La figu=
ra 3
muestra un diagrama de bloques de la estructura del sistema con cada uno de=
los
elementos que lo componen de forma detallada con cada una de las fases
previamente explicadas en la metodología.
Figura 2. Diagrama de Bloques del Sistema Seguidor Solar
Fuente: Elaboración
propia.
Diseño de la estructura metálica del sistema de
seguimiento solar.
Inicialmente se realiza un análisis matemático de =
los
factores ambientales que inciden en el lugar en donde se ha montado el sist=
ema
de seguimiento.
Estos factores mencionados son los que se han
considerado para la selección de los materiales de construcción de la
estructura del sistema seguidor solar y son: velocidad y dirección de vient=
o,
densidad del aire, temperatura ambiente, etc.
Una vez considerada la incidencia de los factores
ambientales previamente mencionados y al hacer cálculos matemáticos y análi=
sis
de la resistencia de la estructura.
Se propone para este sistema de seguimiento solar =
de
un eje una estructura auto portante, constituida de: una base estática
(pedestal) de metal de acero y pintado con pintura anticorrosiva y una parr=
illa
que sujeta al panel fotovoltaico de 100 W cuya estructura es de aluminio
categoría 6 de perfil tubo cuadrado.
La estructura diseñada soporta el peso de todos y =
cada
uno de los elementos que la componen y es resistente a los esfuerzos mecáni=
cos
que pudieran existir por la acción de los factores climáticos que inciden e=
n el
lugar.
El pedestal se ha elaborado en metal de acero al
carbono en un porcentaje del 0,35% de este material, utilizando de esta man=
era
tubo estructurado de 4 pulgadas el cual se ha seleccionado por sus propieda=
des
mecánicas ligereza y poca corrosión, adaptándose con estas características
mejor a los cambios climáticos que se tiene en la sierra ecuatoriana,
específicamente en la ciudad de Riobamba.
Sin embargo, a pesar de la resistencia del material
por sí mismo a la corrosión, se coloca una capa protectora de pintura contr=
a la
corrosión, evitando de esta manera que la estructura sea propensa al óxido =
que
es perjudicial para este tipo de metal.
La construcción de la parrilla que sujeta al panel
solar de 100 W utiliza aluminio de uno y medio de pulgada la cual está
recubierta también de una capa de pintura resistente a la corrosión.
Tabla 1. Factores de
constitución y ambientales influyentes, calculados para el diseño de la
estructura del sistema fotovoltaico
|
|
Valor |
|
Mt (masa total) |
12kg |
|
|
117,36 n |
|
|
13,26 m/s |
|
S (superficie del panel) |
0,64 m2 |
|
|
Valor |
|
|
13,212 kgf |
|
|
-17,6 n<=
span
class=3DSpellE>.m |
|
|
0,00128 watts |
|
Velocidad angular mínima |
0,04 rad/s |
|
Motorreductor alemán buhler=
de 12 voltios dc, de 60 kg.cm y de 100 vatios=
. |
Fuente: Elaboración propia.
Una vez determinados y conocidos los factores
indicados en la tabla 1 y variables que influyen en el sistema, se procede =
a realizar
el diseño del sistema mecánico utilizando el software de simulación CAD
SolidWorks 2017 como muestra la figura 3.
El sistema se detalla con los siguientes elementos=
: pedestal
para el soporte de la estructura giratoria (1), placa de empotramiento que =
une
con otra placa que es fundida en la superficie con el hormigo mediante pern=
os y
tornillos (2), Caja de engranajes, la cual sostiene a la rueda dentada y
tornillo sin fin (3), Tornillo sin fin (4), rueda dentada o corona (5),
parrilla o catasta (6), panel solar de 100 vatios (7)
Figura 3.
Fuente: =
Elaboración
propia.
El sistema utiliza un motor reductor DC, debido a =
sus
altos niveles de eficiencia y alto uso en sistemas se seguimiento solar ya
implementados (Arrieta Morelo & Puello Brav=
o,
2018), dado que cumple con las especificaciones simulado en SolidWorks 2017=
.
Además, el sistema de transmisión mecánica utiliza=
do es
un mecanismo de un conjunto de elementos encargados de trasmitir el movimie=
nto
desde el eje del motor hasta la rueda dentada motor acoplada con mediante el
uso de un tornillo sin fin (Caja Reductora).
La caja reductora es muy importante en el diseño y
construcción de un sistema de transmisión, ya que, a través de una relación
matemática permite disminuir la velocidad del motor y aumentar el torque del
motor DC (Sánchez, 2016); un torque alto es importante en la transmisión su=
ave
y exacta de movimiento, con su configuración correcta se evita que el siste=
ma
provoque un movimiento no deseado por causas de factores externos (físicos,
ambientales, etc). El tornillo sin fin se acopl=
a al motor
reductor y se mueve a la misma velocidad que el eje del motor reductor, por
medio de la caja reductora se consigue disminuir las revoluciones con la que
gira el motor y aumentar el torque del sistema.
Diseño y Construcción del
sistema de Control Automático.
Figura 4.
Diagrama de bloques del sistema de control automático del seguidor solar de=
un
eje
Fuente: =
Elaboración
propia.
Como unidad de control para el diseño del sistema =
de
control automático se ha utilizado un Arduino uno, dando las órdenes a todos
los componentes del circuito en base a la salida del comparador, control a =
su
vez el motor reductor Aleman Buhler
12v DC. Esta unidad de control acciona el motor reductor de engranajes DC y=
genera
un giro del eje del motor en sentido antihorario u horario, lo hace detener=
se o
avanzar. Cada uno de esos movimientos se ejecutan en función de las necesid=
ades
del sistema al momento de colocar y mantener el panel solar apuntando siemp=
re
de forma perpendicular a los rayos solares incidentes.
Figura 5. Tablero de control del sistema seguidor solar de =
un
eje
Fuente: Elaboración
propia.
Para el seguimiento solar del sistema el algoritmo=
de
programación utilizado es un algoritmo de programación astronómica el cual =
es
también conocido como algoritmo de programación cronológica (Tejada & <=
span
class=3DSpellE>Motoche, 2012).
Este algoritmo fue programado para que su
funcionamiento sea continuo durante 12 horas diarias desde que el sol sale
hasta que el sol se oculta. Para manejar estos algoritmos se manejan los
conceptos en los cuales se conoce que, el movimiento de traslación del plan=
eta
tierra ocurre en 360° cada 24 horas, por lo tanto, se estable que 360°/24 h=
=3D
15°/h. (Bahrami et al., 2016)
De acuerdo con nuestro algoritmo de programación
astronómica, cada 6,92 minutos aproximadamente el controlador Arduino uno,
envía la señal de encendido al circuito de control para que este gire 1,7 °,
este proceso lo realiza continuamente hasta alcanzar los 180° grados de
movimiento, ángulo que alcanzaría cuando el son está por ocultarse al
atardecer. El sistema de seguidor solar permanece en esa posición durante un
tiempo determinado para aprovechar la radiación solar y finalmente el
controlador envía una señal de reloj al sensor final de carrera para que la
estructura regrese a la posición inicial de 0° listo para comenzar la ejecu=
ción
del algoritmo se seguimiento nuevamente el siguiente día; al no haber energ=
ía
solar durante la noche, el sistema se seguimiento solar permanece en pausa =
ya
en esta posición de 0°.
El controlador Arduino uno maneja además una segun=
da
alternativa de algoritmo de seguimiento por punto luminoso, el cual consist=
e en
seguir el movimiento del sol por medio de la configuración de cuatro
fotorresistencias (LDR) colocados en puntos estratégicos del panel solar que
realiza el movimiento, estos sensores toman el punto más luminoso medido en
cada uno de los sensores y estos valores censados y enviados a un circuito =
de
comparación entre sí (Seme et al., 2016), comparación que es realizada y el
resultado es enviado al controlador (Arduino uno) el cual la analiza y en
función del valor censado envía una orden al motor reductor, el cual se mue=
ve hacia
al lado en el que se ha medido una mayor luminosidad permitiendo así realiz=
ar
un seguimiento estratégico del sol y de esta manera lograr la máxima captac=
ión
de radiación solar incidente.
Durante este movimiento el control analiza cuando =
los
rayos solares están incidiendo aproximadamente de forma perpendicular al pa=
nel
solar, una señal de detener o a pagar el motor es enviada por el controlador
hacia el actuador, por otro lado cuando los rayos no están incidiendo de fo=
rma
perpendicular al panel solar o en su defecto existe un desbalance en la
estructura mecánica con respecto al punto luminoso medido en el panel, una
señal de activación es enviada por el controlador hacia el motor reductor el
cual debe corregir el ángulo de error medido.
Figura 6. Diagrama=
de
flujo de la programación del controlador por seguimiento punto luminoso
El algoritmo de
programación del seguimiento solar por
punto luminoso consiste en, cuando el cielo o la atmósfera esta despejada s=
in
nubosidad e irrupciones al paso de los rayos solares, los sensores reciben =
una
señal en función de la luz incidente en sus celdas la cual es enviada al
circuito de comparación y de control para que realice el proceso de movimie=
nto
del panel solar hacia la posición requerida según la posición del sol
manteniendo siempre el sistema ubicado de forma perpendicular a los rayos s=
olares
(Llangarí Yaguachi, 2015). La irradiación solar
medida por los sensores es transformada en voltaje, este nivel de voltaje s=
irve
como retroalimentación para el sistema de control y hace que este envié la
señal deseada al sistema, bajo esa retroalimentación el sistema de seguimie=
nto
solar de un eje ubica al panel solar en la posición requerida para maximiza=
r la
captación de energía solar del sistema, permitiéndole así obtener valores
considerablemente mayores de parámetros energéticos en comparación con un s=
istema
solar fotovoltaico fijo.
Uno de los inconvenientes de la programación del
sistema de control automático por seguimiento de punto luminoso es que se p=
uede
ver afectado por factores externos que afecten a la luminosidad incidente s=
obre
los sensores (Radiación difusa). Estos factores pueden ser por ejemplo la
existencia de nubosidad; con la presencia de este agente natural que no se
puede controlar, el sistema no puede leer correctamente los puntos de luz y=
asi el panel no puede ubicarse en el ángulo y posición
óptima (perpendicular a los rayos solares) para lograr la captación máxima =
de
la irradiación solar (Volkov et al., 2016).
El sistema queda entonces desbalanceado con respec=
to a
la radiación solar incidente disminuyendo de esta manera la cantidad de ene=
rgía
captada por el panel solar y resultando aquello en una menor cantidad de
energía eléctrica obtenida a la salida del sistema. Debido a estos
inconvenientes, el algoritmo implementado en el sistema es el algoritmo de
programación astronómica, el cual está basado en ecuaciones matemáticas par=
a el
movimiento lo cual lo hace más robusto y le añade un ligero grado de
complejidad a la programación del controlador.
Desarrollo de la Interfaz Humano Máquina (HMI)
La interfaz Humano Máquina (HMI) está conformada p=
or
un panel gráfico, el cual le permite al usuario visualizar variables y seña=
les
de los parámetros energéticos medidos en el sistema de seguimiento solar de=
un
eje durante las 12 horas de aprovechamiento solar y otros indicadores
adicionales. Los elementos del panel de la interface
HMI se detallan a continuación:
· &nb=
sp;
Botón de Marcha: Le habilita al usuario la posibilidad de poner en
ejecución o en funcionamiento el sistema seguidor solar de un eje
· &nb=
sp;
Indicador de Corriente: Permite visualizar los indicadores de corrie=
nte
del panel solar a lo largo del dia de forma en =
tiempo
real, es una variable medida en amperios teniendo un valor máximo de 11,66
amperios aproximadamente, valor que es considerado aproximadamente la corri=
ente
nominal del panel de 100 W.
· &nb=
sp;
Indicador de Voltaje: Permite visualizará el voltaje que llega al
terminal de salida del panel solar, esta medida varía a lo largo del día y =
su
unidad de medida es en Voltios, teniendo un valor máximo de 12 voltios
aproximadamente debido a que es el voltaje nominal del panel solar en el pu=
nto
de máxima camptacion de potencia.
· &nb=
sp;
Botón de Paro: Permite detener el funcionamiento del sistema dejandolo sin ejecución.
· &nb=
sp;
Botón Stop Programa: Permite poner una pausa al programa que se está
ejecutando en el controlador.
· &nb=
sp;
Indicador de Conexión. Permite identificar si el sistema se encuentra
conectado o desconectado mediante una luz. Si la luz está encendida se enti=
ende
que el sistema se encuentra operando, mientras que si la luz está apagada se
entiende que el sistema está apagado.
· &nb=
sp;
Grafica de Potencia medida en panel solar: Permite visualizar de man=
era
gráfica los datos procesados en tiempo real de la potencia entregada por el
panel solar, dándole al usuario una herramienta para interpretar como va ca=
mbiando
la variable de potencia en función de los valores de corriente y de voltaje
medidos en el panel solar.
· &nb=
sp;
Irradiancia: Permite observar el valor de la irradiancia incidente s=
obre
el panel solar durante el día en tiempo real, mostrando este valor de forma
gráfica.
· &nb=
sp;
Angulo azimutal: Permite observar el ángulo de desviación entre la l=
ínea
del punto cardinal norte y el panel.
·&nb=
sp;
Angulo de elevación: Permite observar el ángulo que
cambiara durante el día de 0 a 180° aproximadamente.
Figura
7. Diagrama de bloque de la interfaz Humano Máquina =
HMI
Fuente: Elaboración propi=
a.
Resultados.
En primera instancia, una vez concluido el diseño,
construcción del sistema se seguidor solar de un eje, se procede a realizar=
la
instalación y situ como muestra la figura 8.
Figura 8. Sistema de seguimiento solar instalado in situ
Fuente: Elaboración
propia.
Una vez instalado el sistema in situ se procede a
poner en funcionamiento el sistema de seguimiento solar y realizar las prue=
bas
respectivas.
En una primera fase de pruebas, se procede a poner=
en funcionamiento
del sistema solar fijo con un ángulo de inclinación 30° apuntando hacia el
norte, con el fin de monitorear los parámetros energéticos obtenidos de este
sistema, es decir los valores de cada una de las variables correspondientes=
al
comportamiento de un sistema de posicionamiento fijo.
El sistema fotovoltaico fijo fue monitoreado duran=
te
semanas, tomando datos durante horas, días y también en semanas de las
variables de voltaje, corriente, potencia generada por el panel solar e irr=
adiación.
En conjunto, y una vez puesto en marcha el sistema
fijo, inmediatamente se pone en marcha el sistema de seguimiento solar de un
eje implementado y al igual que con el sistema fijo se procede a monitorear=
durante
semanas, tomando datos durante horas, días y también en semanas de las
variables de voltaje, corriente, potencia generada por el panel solar e
irradiación.
Una vez monitoreados los valores de cada uno de los
sistemas, se realiza un análisis de comparativo de las variables medidas y
analizadas en cada uno de ellos con el fin de medir la eficiencia de captac=
ión
y producción de energía del sistema de posicionamiento fijo versus el siste=
ma
de seguimiento solar de un eje.
Resultados
sistema de posicionamiento fijo vs sistema de seguimiento solar de un eje
analizado durante un día tipo.
Tabla 2.
Eficiencia medida en el Sistema de posicionamiento fijo en horas
|
Sistema solar fijo medido en horas - 03/07/2018 |
|||||||
|
Puntos de lectura |
Hora |
Corriente [a] |
Voltaje [v] |
Irradiancia [w/m².h] |
Potencia [w] |
=
Efeciencia |
|
|
Punto inicio |
6:00:38 |
3,06 |
11,67 |
357,49 |
35,69 |
35,69% |
|
|
Pico máximo |
11:00:38 |
8,56 |
12,40 |
1062,95 |
106,13 |
106,13% |
|
|
Punto finalización |
18:00:38 |
2,82 |
7,04 |
199,74 |
19,85 |
19,85% |
|
Fuente: Elaboraci=
ón propia.
Las variables mostradas en la Tabla 2 han sido
monitorizadas en el sistema solar fijo, durante las 12 horas diarias útiles
para el sistema desde que el sol sale en la mañana aproximadamente a las 6:=
00
am, hasta que el sol se oculta en el atardecer aproximadamente a las 18:00 =
pm. Los
datos tomados y analizados corresponden a tres diferentes horas durante el =
día,
las cuales han sido consideradas más relevantes para el análisis e interpre=
tación
de los datos.
De los valores obtenidos, el valor máximo de poten=
cia
se registró a las 11:00:38 del 03 de julio del 2018 con un valor porcentual=
de
106,13% y valor más bajo se registró en la misma fecha en el punto de
finalización a las 18:00:38 con un valor porcentual de 19,85%.
Tabla 3. Eficiencia medida en el Sistema de
seguimiento solar de un eje en horas
|
Sistema de seguimiento solar de un eje en horas 03/08/2018 |
|||||||||
|
Puntos lectura |
Horas |
Corriente [a] |
Voltaje [v] |
Irradiancia [w/m².h] |
Potencia [w] |
Eficiencia |
Aumento energía |
||
|
Punto inicio |
6:00:38 |
4,95 |
9,61 |
476,66 |
47,59 |
47,59% |
11,90% |
||
|
Pico máximo |
14:00:38 |
11,28 |
12,55 |
1418,12 |
141,59 |
141,59% |
35,46% |
||
|
Punto finalización |
18:00:38 |
3,14 |
9,04 |
284,01 |
28,36 |
28,36% |
8,51% |
||
|
Valor promedio de la eficiencia de captación de energía medida
horariamente con el seguidor solar de un eje |
18,62% |
||||||||
|
Fuente: Elaboraci=
ón propia.
Las variables mostradas en la Tabla 3 han sido
monitorizadas en el sistema de seguimiento solar de un eje, durante las 12
horas diarias útiles para el sistema desde que el sol sale en la mañana
aproximadamente a las 6:00 am, hasta que el sol se oculta en el atardecer
aproximadamente a las 18:00 pm.
Los datos tomados y analizados corresponden a tres=
diferentes
horas durante el día, las cuales han sido consideradas más relevantes para =
el
análisis e interpretación de los datos.
De los valores obtenidos, el valor máximo de poten=
cia
se registró a las 14:00:38 del 03 de agosto del 2018 con un valor porcentua=
l de
106,13% y valor más bajo se registró en la misma fecha a las 18:00:38 con un
valor porcentual de 28,36%.
Resultados sistema de
posicionamiento fijo y sistema de seguimiento solar de un eje analizado dur=
ante
una semana tipo.
Tabla 4. Eficiencia medida con el sistema de posicionamiento fijo en días
|
Sistema solar fijo en días |
||||||||
|
Puntos lectura |
Fecha |
Corriente [a] |
Voltaje [v] |
Potencia [w] |
Irradiancia [w/m².h] |
Efecienci=
a |
|
|
|
||||||||
|
Punto inicio |
02/07/2018 |
6,81 |
11,87 |
80,87 |
810,00 |
80,87% |
|
|
|
Valor mínimo |
07/07/2018 |
4,92 |
11,99 |
59,05 |
591,45 |
59,05% |
|
|
|
Pico máximo |
09/07/2018 |
7,56 |
12,01 |
90,82 |
909,66 |
90,82% |
|
Fuente: Elaboraci=
ón propia.
Los datos tomados y analizados corresponden a tres diferentes días en
las fechas marcadas en la tabla 4, las cuales han sido consideradas más
relevantes para el análisis e interpretación de los datos, además son
graficadas más adelante. De los valores obtenidos, el valor máximo de poten=
cia
se registró el día 09 de julio de 2018 que es de 90,82%, y valor más bajo se
registró el 07 de julio de 2018 con un valor porcentual de 59,05%.
Tabla 5. Eficiencia med=
ida
en el Sistema de seguimiento solar de un eje en días
|
Sistema de seguimiento solar de un eje en día=
s |
||||||||
|
Puntos lectura |
Fecha |
Corriente [a] |
Voltaje [v] |
Potencia [w] |
Irradiancia [w/m².h] |
Efecienci=
a |
Aumento energía |
|
|
Punto inicio |
02/08/2018 |
8,23 |
11,35 |
93,41 |
935,59 |
93,41% |
12,54% |
|
|
Valor mínimo |
07/08/2018 |
6,63 |
12,35 |
81,90 |
820,31 |
81,90% |
22,85% |
|
|
Pico máximo |
09/08/2018 |
9,84 |
11,81 |
116,16 |
1163,42 |
116,16% |
25,34% |
|
|
Valor promedio de la eficiencia de captación de energía medida
diariamente con el seguidor solar de un eje |
20,24% |
Fuente: Elaboraci=
ón propia.
Los datos tomados y analizados corresponden a tres=
diferentes
días en las fechas marcadas en la tabla 5, las cuales han sido consideradas=
más
relevantes para el análisis e interpretación de los datos, además son
graficadas mas adelante. De los valores obtenid=
os, el
valor máximo de potencia se registró el día 09/08/2018 con un valor porcent=
ual
de 106,16% y valor más bajo se registró el día 02 de agosto de 2018 con un
valore porcentual de 93,41%.
Conclusiones.
· =
Efectuando una comparaci=
ón
de la eficiencia de captación de energía entre los datos obtenidos entre el
sistema de posicionamiento solar fijo analizado en horas, se obtienen los
valores mostrados en la columna 8 de la tabla 3, valores en los cuales se
evidencia un aumento de eficiencia de captación del sistema fotovoltaico al
utilizar el sistema de seguimiento solar de un eje en comparación al sistema
fijo con un valor promedio de aumento de eficiencia de 18,62 % durante el d=
ía.
· =
Efectuando una comparaci=
ón
de la eficiencia de captación de energía entre los datos obtenidos entre el
sistema de posicionamiento solar fijo analizado durante días, se obtienen l=
os
valores mostrados en la columna 8 de la tabla 5, valores en los cuales se
evidencia un aumento de eficiencia de captación del sistema fotovoltaico al
utilizar el sistema de seguimiento solar de un eje en comparación al sistem=
a fijo
con un valor promedio de aumento de eficiencia de 20,24 % medida en los
diferentes días analizados.
· =
Haciendo un análisis, se
concluye que el sistema más eficiente en la captación y producción de energ=
ía
es el sistema de seguidor solar de un eje, ya que tiene una eficiencia de
captación que va desde el 12,54% al 22,85% de eficiencia en comparación con=
el
sistema de posicionamiento fijo estos datos son tomados en días durante una
semana, la eficiencia de captación variara dependiendo del día y los factor=
es climáticos.
El aumento de eficiencia promedio es del 20,24 % respecto al rendimiento de=
un
sistema fotovoltaico de posicionamiento fijo, logrando de esta forma con el=
uso
de este la optimización del sistema solar fotovoltaico.
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Llangarí
Yaguachi, F. A. (2015). Diseño y desarrollo de un sistema de posicionamiento
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microcontrolador y un motor paso a paso como actuador, empleando un control=
con
lógica difusa. [Trabajo de grado, Ingeniería Electrónica, Universidad
Politécnica Salesiana]. Repositorio Institucional- Universidad Politécnica
Salesiana. http://dspace.ups.edu.ec/handle/123456789/9146
PARA CITAR EL ARTÍCULO INDEXADO.=
Pacheco Cunduri, M. A., Tapia Segarra, I=
. E.,
& Guevara Cabezas, E. A. (2020). Diseño e implementación de un seguidor
solar de un eje para la optimización de un sistema fotovoltaico de 100 W
aplicando cálculos matemáticos y automatización industrial. Ciencia Digi=
tal,
4(3), 336-354. https://doi.org/10.33262/cienciadigital.v4i3.1359
El artículo que se publica es=
de
exclusiva responsabilidad de los autores y no necesariamente reflejan el
pensamiento de la Revista Ciencia
Digital.
El
artículo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1] Escue=
la
Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. mayra.pacheco@espoch=
.edu.ec
[2] Escuela
Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. itapia@espoch.edu.ec=
[3] Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador. esteb= an.guevara@espoch.edu.ec
www.cienciadigital.org
Vol. 4, N°3, p. 336-3=
54,
julio-septiembre, 20