SOLARIS control unit for monitoring the solar trajectory.
Sergio Andrés Pantoja Prado, Diego Alejandro Barrera Renza.
Resumen - En este artículo se presenta la unidad de control SOLARIS para el seguimiento de la trayectoria solar desde el alba hasta el ocaso. Este dispositivo se creo para generar mayor eficiencia en la disposición de la luz y calor emitidos por el sol para la generación de energía, ya que los paneles solares estáticos demuestran bajo rendimiento en el aprovechamiento de este recurso energético.
La metodología empleada consistió en la selección de la lógica de trabajo más conveniente para el dispositivo de seguimiento, lo cual se podría hacer con sensores o mediante una fórmula que hallará el desplazamiento del sol en cualquier época del año. Luego de implementar SOLARIS se efectuaron comparaciones entre esta e instalaciones estáticas. Como resultado, se puede observar que el seguidor solar SOLARIS genera un 43% más de energía que un panel solar estático, con lo cual se verifica la teoría de la eficiencia en sistemas de seguimiento solar. Además, se analiza la incidencia de la temperatura del panel solar en su rendimiento, al convertir la energía solar en eléctrica. La proyección de SOLARIS es efectuar su implementación en una cantidad elevada de paneles solares y lograr el posicionamiento necesario del proyecto para que las empresas o personas que realicen instalaciones de sistemas solares implementen este tipo de tecnología.
Palabras clave: Panel solar, fotovoltaico, azimut, elevación, rotor, alba, ocaso, control, microcontrolador, día solar, seguidor.
Abstract - This article presents SOLARIS control unit for the monitoring the solar trajectory from sunrise to sunset. This device was created to generate greater efficiency in the use of sunlight to generate energy. Given that static solar panels demonstrate poor performance in exploiting this energy resource.
The methodology consisted in the selection of work’s logic with more benefits for tracking device, which may be sensors or by a formula to find the sun movement at any time over the year. After implementing SOLARIS were made comparisons against static facilities. As a result, it shows that the solar tracker SOLARIS generates 43% more energy over a Static Solar Panel, which confirm the theory referent to efficiency of solar tracking systems. In adition analyze the impact of temperature on solar panel performance at converting solar energy into electricity. The SOLARIS projection is to achieve a high implementation of solar panels and precise positioning the project to let companies or people with solar system installations to get into this technology.
Keywords: solar panel, photovoltaic, azimuth, elevation, rotor, sunrise, sunset, control, microcontroller, solar day, tracking.
1. Introducción.
En Colombia, las instalaciones de sistemas solares fotovoltaicos en su gran mayoría son instalados de una forma fija, las cuales no realizan un aprovechamiento eficiente de la radiación solar, ya que el sol no se encuentra estático durante el día; realiza un desplazamiento desde el alba hasta el anochecer. Con un dispositivo seguidor se aporta a generar eficiencia y la apropiación de nuevas tecnologías en instalaciones de sistemas solares fotovoltaicos en nuestra región.
El seguidor solar es un aparato tecnológico con capacidad de orientación hacia el sol, es decir, seguir su trayectoria desde el amanecer en el este hasta la puesta en el oeste. En esta estructura están montados paneles fotovoltaicos los cuales se encuentran todo el día dirigidos directamente contra el sol y mejorando así notablemente su rendimiento(Traxle, 2008).
Un seguidor solar es una máquina con una parte fija y otra móvil que dispone una superficie de captación solar lo mas perpendicular al sol posible a lo largo del día y dentro de sus rangos de movimiento (ecoresponsabilidad, 2009). Expertos en energía solar, como Casas de Moneda Paula, un analista principal de Navigant (que ofrece los conocimientos tecnológicos a la industria de la construcción, entre otros), predice que los sistemas de seguimiento se usaran en al menos el 85 por ciento de las instalaciones comerciales para el año 2012 (Coolerplanet, 2009).
La unidad de control SOLARIS, ubica a los actuadores encargados del movimiento del panel solar en una posición por defecto; paso a seguir, da una posición inicial de azimut y elevación (Ruiz y Silva, 2008), correspondientes a la primera hora solar del día en funcionamiento; estos valores, gracias a la programación del controlador, se incrementan y se ajustan a lo largo del día, de una forma gradual para lograr la mayor exactitud y precisión en los valores correspondientes de azimut y elevación que el sol tiene en dicho día. Al finalizar la jornada, el seguidor, luego de dar la posición final para la última hora solar en valores de azimuth y elevación, deja al panel solar en la posición correspondiente al siguiente día.
En este artículo se presenta el desarrollo y funcionamiento de la unidad de control SOLARIS y los resultados obtenidos mediante la recolección de datos en las pruebas realizadas.
2 Metodología.
Como metodología para el desarrollo del prototipo SOLARIS, en primera instancia se efectúo una búsqueda de los dispositivos necesarios para su construcción, luego de tener los elementos a utilizar se realizó el diseño de un controlador, el cual recibe una formula que mediante el ingreso de la fecha y hora exacta envía los datos para la ubicación del seguidor solar.
En la figura 1 se presenta el diagrama de bloques de la estructura interna de la unidad de control SOLARIS.
El dispositivo que se encarga de mover el panel solar es un rotor YAESU G – 5500 (ver figura 2), el cual, consta de dos motores eléctricos, las cajas de engranes, los sensores de posición (Potenciómetros); todo esto encapsulado en un empaque que le brinda la debida protección ante las condiciones climáticas. Este rotor en realidad son dos rotores por separado, uno de Azimut y uno de Elevación, que pueden ser instalados conjuntamente, o pueden ser usados por separado obteniendo un resultado de movimiento de Azimut o de Elevación según sea el rotor escogido. Estos motores están debidamente lubricados y no requieren de mantenimiento según su fabricante (YAESU COMPANY, 2010)
La unidad de control es una unidad de escritorio con doble medidor y controles de dirección para azimut, en direcciones de brújula y grados; y de elevación, desde 0° hasta 180°. Una salida para control externo está habilitada en la parte trasera del controlador como interfaz de conversión A/D hacia un computador externo u otro tipo de visualización o controlador (Andrade y Núñez, 2007) (ver figura 3).
Fig 3. Controlador del rotor YAESU G-5500.
Al mover el potenciómetro de Out vol. Adj., se está variando el voltaje que entrega a la salida este módulo, ya sea para azimut o para elevación, y variando el potenciómetro Full scale, se mueve la aguja para establecer cuál es el rango máximo que se quiere.
La unidad de control SOLARIS se conecta a la unidad manual por medio de un cable RS232 macho a DIN 8 macho. En la tabla 1 se relacionan los pines de conexión entre la unidad de control manual y la de control SOLARIS
Tabla 1. Pines del cable de conexión DIN8 – RS232.
| DIN 8 | RS232 | FUNCION |
| 1 | 6 | Provee de 2 a 4.5 voltios que corresponde de 0° a 180° |
| 2 | 1 | Pin que se conecta al pin 8 (GND) para rotar hacia la derecha. |
| 3 | 4 | Pin que se conecta al pin 8 (GND) para rotar hacia abajo. |
| 4 | 2 | Pin que se conecta al pin 8 (GND) para rotar hacia la izquierda. |
| 5 | 3 | Pin que se conecta al pin 8 (GND) para rotar hacia arriba. |
| 6 | 7 | Provee de 2 a 4.5 voltios que corresponde de 0° a 450°. |
| 7 | 5 | Provee una fuente de voltaje de 6 a 13 voltios con una corriente de 200 mA. |
| 8 | 8 | Común GND. |
|
| 9 | No tiene función. |
La fuente se encarga de dar una alimentación DC de 5V y 200mA al circuito, para ello, se toma la energía suministrada por la unidad de control manual, proveniente del pin 7 del puerto de control externo, que entrega 13V DC a 200mA y se regula mediante un fijador de tensión (LM7805).
Como unidad central de procesamiento se utilizó un microcontrolador PIC18F4550 (Microchip Technology Inc. ©, 2009) de la familia Microchip, posee 40 pines, 5 puertos I/O, modulo ADC con 13 canales análogos, modulo USB 2.0 que puede trabajar a Low Speed (1.5Mb/s) o a Full Speed (12Mb/s), 32K de memoria de programa, 256 de memoria EEprom. Este dispositivo se encarga de recibir los datos provenientes de la unidad de control manual, del reloj en tiempo real y de la selección del menú; para procesar la información, actuar en función a lo programado y enviar de vuelta a la unidad de control manual y la visualización. Para ver la vista interna de unidad de control SOLARIS referirse a la (Figura. 4).
El reloj en tiempo real, D51307 suministra segundos, minutos, horas, día, mes y año en tiempo real. Posee una serie de registros donde aparecen los datos necesarios, los cuales se suministran en código BCD. Este circuito integrado utiliza una comunicación I2C. Además, puede trabajar de forma independiente del circuito mediante una batería y un cristal de cuarzo exterior, lo cual garantiza la no perdida de la fecha y hora en caso de falta de alimentación por parte de la fuente.
La selección de menú está compuesta por tres pulsadores (MODO, ENTER, ADJ) normalmente abiertos que permiten la selección de los menús (ajustes de hora – fecha – latitud). Cuando se pulsa uno de estos botones, se envía un pulso a la entrada RA2, RA4 o RA5 (dependiendo que pulsador se oprima) del microcontrolador y este responde según lo programado.
Hay dos tipos de visualización. La primera, se hace a través de 5 LEDS de alta densidad, que indican el movimiento del rotor, arriba-abajo para el motor de elevación, derecha-izquierda para el de azimut y uno que indica si la unidad de control SOLARIS se encuentra encendida. La segunda, por medio de un display LCD DEM16 217 (datasheets.org.uk ©, 2010) que cuenta con 2 líneas de 16 caracteres cada una, donde se muestran los diferentes menús (ver figura 5).
Figura 5. Vista frontal de la unidad de control SOLARIS
Para capturar los valores de voltaje que son entregados por los sensores de posición de los motores, los cuales, se leen atrás del puerto de control externo de la unidad de control manual y convertirlos a su correspondiente valor digital; se debe filtrar la señal para eliminar las interferencias que puedan venir en esta y disminuir el rizado, que aunque es minúsculo, afecta enormemente el valor del resultado digital; con este filtro no se logra atenuar totalmente el problema, pero lo hace mucho menor. Para ello, se utiliza un filtro análogo compuesto por un capacitor electrolítico y otro cerámico que disminuyen el rizado y una resistencia en paralelo para hacer mínima la caída de tensión en las entradas análogas del microcontrolador (RA0 y RA1).
Para unir la etapa de control con la de potencia, se utiliza un acople óptico por medio de 4 optoacopladores 4N26, cuya función principal es el disparo de los motores. Cuando alguna de las salidas del microcontrolador alimenta el diodo LED interno del optoacoplador, hace conmutar el fototransistor y el camino entre el colector y el emisor se cierra, permitiendo el paso de la corriente. Esto conecta a tierra los pines 2, 4, 3, y 5 del puerto de control externo de la unidad de control manual, moviendo el rotor hacia la derecha, izquierda, abajo o arriba respectivamente. Lo que internamente hace la unidad de control manual, es conectar a tierra la base del transistor PNP que dispara los relevos encargados de alimentar los motores.
2.1 Descripción del programa en el microcontrolador
Como se menciono anteriormente, el microcontrolador PIC18F4550 es la unidad central de procesamiento de la información del controlador SOLARIS, a él, llegan los datos del estado del rotor, la hora, la fecha, la latitud y los pulsadores encargados de la selección del menú. Todo esto, para enviar los datos correspondientes al ajuste de los motores y comandos visuales.
Lo primero que hace el microcontrolador es preguntar si se desea ajustar la latitud, por defecto el programa tiene una latitud de 0° y, una vez modificada, queda almacenada en la memoria EEPROM del micro, para no cambiarla en caso que este no tenga alimentación.
En segundo lugar, se pregunta si se desea cambiar la fecha y la hora, por defecto aparece el día 0, mes 0, año 0, y hora 0:00. Por lo cual, se aconseja cambiarla; una vez ajustada la información no se va a perder en caso de no tener alimentación el micro, ya que el reloj tiene su propia batería con lo cual no se pierde esta información.
En tercer lugar, el micro calcula la posición solar (azimut y elevación solar) y compara estos valores con los que le llegan desde la unidad de control manual. Se calcula el error que hay entre cada uno de ellos y procede a tomar la decisión de movimiento de los motores; es muy importante saber el signo del error (
), porque dependiendo de este valor, el controlador decide si el rotor debe moverse hacia arriba, abajo, izquierda o derecha. Este proceso se hace repetidamente, ya que a cada instante están cambiando los valores de azimut y elevación, los cuales, dependen de la hora.
Por último, el micro calcula la hora del alba y del ocaso, para que cuando llegue a esta última, el rotor se ubique en la posición inicial del siguiente día.
2.2 Ganancia con la unidad de control SOLARIS
Para conocer la ganancia energética del panel solar con el control SOLARIS, respecto al panel sin el controlador, se utilizó la siguiente ecuación:
DondeENERGIA SOLARIS, es la energia generada en un dia solar por el panel solar, utlizando el controlador SOLARIS.
CONSUMO, es la energia consumida por el rotor, la unidad manual y el controlador SOLARIS.
ENERGIA FIJO, es la energia generada en un dia solar por el panel solar estatico.
3. Resultados y discusión
Se hizo una comparación de los datos obtenidos para el panel solar sin control, y para el panel con el controlador SOLARIS. La información fue recolectada durante dos semanas de pruebas, una para cada uno de los sistemas, debido a que solo se disponía de un panel solar KIOCERA KC130TM (kyocera solar inc. , 2010.) para hacer las pruebas de potencia de los dos sistemas.
En la figura 6 se puede observar la comparación entre la curva de potencia generada por el panel solar fotovoltaico utilizando el sistema de control SOLARIS y el panel fijo. Para saber la cantidad de energía generada por cada sistema, durante un día solar, se hallo el área bajo la curva de potencia, dando como resultado 8.25KW/día con el controlador SOLARIS y 1.72KW/día con el panel fijo.
Fig 6. Curva potencia generada.
Teniendo en cuenta que solo se disponía con un panel solar para las pruebas, se adjunta la figura 7 de radiación solar promedio durante estas, ya que la energía generada es directamente proporcional a la radiación solar. Como se puede observar la radiación solar fue similar durante las dos semanas de pruebas, lo cual, valida la tomo de datos durante las mismas.
La temperatura es un factor importante a tener en cuenta, ya que esta afecta el funcionamiento del panel solar. Pero como se sabe, este es un factor externo, que para este tipo de aplicaciones no se puede controlar, porque el panel solar se encuentra al aire libre donde tiene contacto directo e indirecto con los rayos solares. En la figura 8, se puede observar la diferencia entre las temperaturas presentes durante las pruebas. La semana en la que se hizo la prueba del controlador SOLARIS fue más calurosa, que cuando se hizo con el sistema fijo, pero esto no impido que se obtuviera un incremento en la energía generada con el controlador SOLARIS.
Figura 8. Curva de temperatura del medio ambiente.
El panel solar, con la unidad de control SOLARIS, generó una ganancia energética máxima del 43% respecto al sistema fijo, durante las dos semanas de registro de datos.
4. Conclusiones
Con el desarrollo de este proyecto se logró diseñar e implementar la unidad de control SOLARIS para el seguimiento solar, la cual, funciona correctamente siguiendo el sol desde el alba hasta el ocaso, permitiendo que la incidencia de los rayos solares sea siempre perpendicular al panel solar.
Teniendo en cuenta los resultados obtenidos mediante las pruebas de campo, se logró obtener con el controlador SOLARIS, una máxima ganancia en energía eléctrica representada en un 43% respecto al panel solar fijo.
Se debe considerar la temperatura a la que se encuentra el panel solar, debido que durante el registro de datos se encontró que a temperaturas mayores a 38º C, los niveles de voltaje y corriente generados por el panel empiezan a decrecer.
Los valores teóricos de ganancia energética de 30 – 40%, que se obtienen utilizado un sistema de seguimiento solar, se comprobaron con los resultados obtenidos con el uso de la unidad de control SOLARIS. 
5. Bibliografía
TRAXLE™, 2008. Seguidores y concentradores. [Consultado el 11 de Junio de 2010].
http://www.solar-trackers.com/es/
ECORESPONSABILIDAD, 2009. Seguidor solar. [Consultado el 17 de Junio de 2010].
http://www.ecorresponsabilidad.es/pdfs/ecoinnovacion/HISPANOTRACKER_seguidores_solares.pdf
COOLERPLANET, 2009. Tracking Systems Vital to Solar Success. [Consultado el 16 de Julio de 2010].
http://solar.coolerplanet.com/News/4080902-tracking-systems-vital-to-solar-success.aspx
VALERIANO RUIZ Y MANUEL A. SILVA, 2008. Radiación solar. Curso energías renovables. Grupo de termodinámica y energías renovables. Universidad de Sevilla. Sevilla - España. Pág. 7.
ANDRADE, DIEGO MAURICIO Y NÚÑEZ ROMERO, LEONARDO ERNESTO, 2007. Diseño del sistema de control físico para el Posicionamiento de la antena de la estación terrena del Proyecto CUBESAT en la Universidad Surcolombiana. Tesis de pregrado. Departamento de ingeniería electrónica. Universidad Surcolombiana. Neiva - Colombia. Pág. 22.
MICROCHIP TECHNOLOGY INC.©, 2009. PIC18F4550. [Consultado el 10 de abril de 2010].
http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en010300
DATASHEETS.ORG.UK©, 2010. dem16217 Datasheet, Circuit, PDF, & Application Note Results. [Consultado el 11 de mayo de 2010]. http://www.datasheets.org.uk/search.php?q=dem16217&sType=part&ExactDS=Starts
KYOCERA SOLAR INC. , 2010. KC130TM. [Consultado el 20 de Julio de 2010].
www.kyocerasolar.com/pdf/specsheets/KC130TM_sp.pdf
YAESU COMPANY, 2010. YAESU G – 5500. [Consultado el 15 de Marzo de 2010].
http://www.yaesu.com/?cmd=DisplayProducts&DivisionID=65&ProdCatID=104
