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Unidad Académica de

Ingeniería Eléctrica

Propuesta de Tesis de Licenciatura

PROYECTO DE TESIS I

Diseño y Control PID

Para Un Seguidor Solar

Juan Carlos Reveles Almaraz

Directores de tesis:

Dr. Rafael Villela Varela

Dr. Eneldo López Monteagudo

Abril, 2011

Propuesta de tesis de licenciatura UAIE Juan Carlos Reveles Almaraz



Índice 1

Índice

1. Planteamiento del problema 2

1.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.1.1. Generación Fotovoltaica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3. Justificación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4. Identificación del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5. Hipótesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

2. Objetivos 5

2.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2. Ob jetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3. Metodología 6

3.1. Programa tentativo de actividades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

3.2. Cronograma tentativo de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

4. Alcances, limitaciones y recursos 9

4.1. Contribución . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.2. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

4.3. Recursos disponibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

5. Visto bueno de directores de tesis 10




1 Planteamiento del problema 2

1. Planteamiento del problema

1.1. Introducción

Como bien es sabido la energía solar es la energía obtenida mediante la captación

de la luz y el calor emitidos por el sol. La radiación solar que alcanza la tierra puede

aprovecharse por medio del calor que produce a través de la absorción de la radiación,

por ejemplo en dispositivos ópticos o de otro tipo. La energia solar es una de las llamadas

energías renovables, particularmente del grupo no contaminante, conocida como energía

limpia o energía verde. Si bien, al final de su vida útil, los paneles fotovoltaicos pueden

suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable al día de hoy. La potencia de la

radiación varía según el momento del día, las condiciones atmosféricas que la amortiguan

y la latitud. Se puede asumir que en buenas condiciones de irradiación el valor es de

aproximadamente 1000W/m2, a esta potencia se la conoce como irradiancia.

La radiación es aprovechable en sus componentes directa y difusa, o en la suma de

ambas. La radiación directa es la que llega directamente del foco solar, sin reflexiones

o refracciones intermedias. La difusa es la emitida por la bóveda celeste diurna gracias

a los múltiples fenómenos de reflexión y refracción solar en la atmósfera, en las nubes

y el resto de elementos atmosféricos y terrestres. La radiación directa puede reflejarse y

concentrarse para su utilización, mientras que no es posible concentrar la luz difusa que

proviene de todas las direcciones.

1.1.1. Generación Fotovoltaica

Los módulos fotovoltaicos, colectores solares fotovoltaicos o también conocidos como

paneles solares están formados por un conjunto de celdas llamadas ¨células fotovoltaicas¨

que producen electricidad a partir de la luz que incide sobre ellos. El parámetro estan-

darizado para clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la

potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones estandarizadas,

que son:

radiación de 1000 W/m2.

temperatura de célula de 25 ◦C (no temperatura ambiente).

Las placas fotovoltaicas se dividen en:

Cristalinas:





• Monocristalinas: Se componen de secciones de un único cristal de silicio (re-

conocibles por su forma circular u octogonal, donde los 4 lados cortos, si

se observa, se aprecia que son curvos, debido a que es una célula circular

recortada).

• Policristalinas: cuando están formadas por pequeñas partículas cristalizadas.

Amorfas: Cuando el silicio no se ha cristalizado.

Su efectividad es mayor cuanto mayores son los cristales, pero también su peso, grosor

y coste.

1.2. Antecedentes

Como bien es conocido, los seguidores solares son mecanismos que se utilizan paramaximizar la energía solar recogida por los paneles solares soportados en una estructura

que puede tener uno o dos ejes de giro, resultando de ello los llamados seguidores a

un eje, en los que la orientación cenital es fija y la orientación azimutal móvil, o los

seguidores a dos ejes, en los que se permiten ambos movimientos. El usar uno u otro

dependerá del grado de complejidad y rendimiento que queramos obtener en nuestra

instalación. Mientras que los seguidores a un eje tienen unos mecanismos más sencillos,

también obtienen un menor rendimiento, en torno a una menor eficiencia con respecto

a los seguidores a dos ejes que son los que más se utilizan hoy en día. Comparado

con los sistemas fijos, tenemos un mayor costo debido a la estructura que genera el

movimiento y al mantenimiento de la misma, pero esta inversión inicial se recupera por

el mayor rendimiento de la instalación. Aunque existe un problema con las estructuras

que se utilizan para realizar el movimiento y es que están formadas por piezas grandes

que generan problemas a la hora del transporte, no para el transporte por carretera,

sino para el que se realiza desde la carretera al lugar donde finalmente se emplazará el

seguidor, lo que requiere que se acondicionen especialmente los terrenos para que puedan

circular los grandes vehículos que lo transportan, con el consiguiente sobrecoste que eso

genera. Además, en el caso de tener que realizar reparaciones debidas a cualquier tipo

de inclemencia que pueda afectar al seguidor, estas son difíciles de hacer por el gran

tamaño de las piezas, no solamente por el coste que estas tienen, sino porque al ser

piezas tan grandes requieren de maquinaria pesada para poder efectuar la reparación.

Otro problema es que la técnica existente en los sistemas fijos y en los móviles actuales no

evita el posible robo de los paneles solares, que son elementos muy caros y que suponen la





mayor inversión de las instalaciones, lo cual se produce debida a la colocación en lugares

aislados y a la poca altura respecto al suelo a la que están colocados. Algunos seguidores

solares colocan los paneles a cierta altura sólo cuando es de noche o se producen fuertes

vientos, pero en el momento que los paneles se colocan en posición de trabajo se sitúana poca distancia del suelo, la suficiente como para poder acceder a ellos fácilmente, y

aunque se utilizan métodos para evitar su robo, éstos a veces son inútiles porque pueden

producir también la destrucción de los paneles.

1.3. Justificación

La presente invención se encuadra en el sector técnico para aprovechar la mayor

producción de energía a partir de paneles solares o fotovoltaicos, mediante mecanismos

automatizados que permiten el giro en dos ejes para la colocación de los paneles solares

en la posición correcta para captar la máxima radiación solar.

1.4. Identificación del problema

Uno de los principales problemas que existe con los seguidores solares que en la actua-

lidad se encuentran en existencia es que son muy costosos y requieren de mantenimiento

frecuente debido a que la mayoría de estos necesitan fotodiodos para la captación de

radiación solar.

1.5. Hipótesis

Construcción y elaboración de un mecanismo automatizado que obtenga mayor o

igual eficiencia que los que actualmente existen.

Se tiene una mayor generación de energía eléctrica en un sistema fotovoltaico

usando un seguidor solar, respecto a sistemas con paneles fijos.

El sistema de control PID permite controlar eficientemente a un seguidor solar.

El diseño es posible hacerlo mediante la tarjeta la tarjeta de adquisición de datos

que permita interactuar a la computadora con el seguidor solar.




2 Objetivos 5

2. Objetivos

2.1. Objetivo General

Diseñar y construir un seguidor solar con un sistema de control PID el cual sea

eficiente, barato y sencillo.

2.2. Objetivos Específicos

Lograr que la eficiencia para la generación de energía eléctrica en el seguidor solar

sea por lo menos igual a la q proporcionan los seguidores comerciales.

Diseñar un sistema de control PID que permita al sistema fotovoltaico seguir la

trayectoria del sol con la mayor exactitud posible.

Aprender a utilizar y conocer la la tarjeta de adquisición de datos.




3 Metodología 6

3. Metodología

El proyecto se plantea desarrollar en cinco etapas, en las cuales se implementará el

software, diseño y forma de la estructura del seguidor solar.

Las etapas propuestas son:

1. Conceptualización: En esta etapa se desarrollará el estado del arte sobre la

optimización de seguidores solares y se investigará acerca de los diferentes tipos de

seguidores solares para aprovechar al máximo la radiacion solar y generar mayor

energia.

2. Cálculo Mecánico: Se implementarán los conocimientos y calculos necesarios

para el diseño de la estructura del seguidor solar, los cuales deben permitir la

construcción del mismo.

3. Investigación De Campo: Se desarrollarán las activides necesarias para tomar

las lecturas correspondientes para el diseño del software que será implementado en

el control PID el cual será utilizado en el seguidor solar.

4. Control PID Del Sistema: Se desarrollarán los algoritmos necesarios para el

diseño y elaboración del control PID el cual controlara el movimiento y la velocidad

del seguidor solar en sus ejes.

5. Validación: De acuerdo a un diseño experimental se realizarán pruebas y se vali-

darán los datos entregados de acuerdo a diseños realizados anteriormente o datosentregados por empresas especializadas en la realización de este tipo de proyectos.

3.1. Programa tentativo de actividades

1. Conceptualización

a ) Búsqueda y recopilación de información relevante sobre el tema de investiga-

ción.

b) Investigación en el área de la energia solar así como de seguidores solares que

puedan ser útiles en la elaboración del proyecto.

c ) Elaboracion del Protocolo De Tesis.

2. Cálculo Mecánico

a ) Identificación de la estructura apropiada para la implemetación del seguidor

solar.




3 Metodología 7

b) Diseño y construcción de la estructura del seguidor solar.

3. Investigación de Campo.

a ) Identificar el horario mas adecuado para aprvechar la maxima radiación solardiariamente.

b) Tomar las lecturas necesarias para poder diseñar el sistema de control para

el seguidor solar.

c ) Identificación de los diferentes tipos de software en los que se puede llevar a

cabo la programación y el control del sistema.

d ) Identificar las diferenetes tarjetas de datos que existen y elegir la más conve-

niente para implementar nuestro sistema.

4. Control PID del Sistema

a ) Se modelará el sistema de control para obtener una función de transferencia.

b) Cálculo de las ganancias a partir de la funcion de transferencia obtenida

durante el modelado.

c ) Identificación de los circuitos que seran utilizados en el sistema de control.

d ) Implementación del sistema de control.

5. Validación.

a ) Desarrollo del diseño experimental.

b) Pruebas al sistema.

c ) Ajustes al sistema.

d ) Evaluación y comparación en base al diseño experimental.

e ) Análisis de los resultados obtenidos y ajuste de los diferentes algoritmos im-

plementados.

f ) Elaboración del documento de Tesis.

g ) Correciones al documento de Tesis.

h ) Presentación del Exámen Profesional.




3 Metodología 8

3 . 2 .

C r o

n o g r a m a t e n t a t i v o d e t r a b a

j o

A c t i v i d a d

M e s ( i n i c i a n d o e n

F e b r e r o 2 0 1 1 )

F e b

M

a r

A b r i l

M a y o

J u n i o

J u l i o

A g o

S e p

O c t

N o v

D i c

E n e

C o n c e p t u a l i z a c i ó n

B ú s q u e d a d e r

e f e r e n c i a s

I n v e s t i g . e n e l

á r e a d e l a e n e r g i a s o l a r

E l a b o r a c i o n d e l P r o t o c o l o d e T e s i s

C á l c u l o M e c

á n i c o

I d e n t i fi c a c i ó n d e l a e s t r u c t u r a

D i s e ñ o y c o n s t r u c c i ó n d e l a e s t r u c t u r a

I n v e s t i g a c i ó n

d e C a m p o

I d e n t i fi c a c i ó n d e l h o r a r i o s o l a r

T o m a d e l é c t u

r a s

I d e n t i fi c a c i o n d e s o f t w a r e

S e l e c c i o n d e l a

t a r j e t a d e d a t o s

C o n t r o l P I D

d e l S i s t e m a

M o d e l a d o d e l S i s t e m a

C á l c u l o d e l a F . T . y g a n a n c i a s

I m p l e m e n t a c i ó

n d e C i r c u i t e r i a

I m p l e m e n t a c i ó

n d e l S i s t e m a

V a l i d a c i ó n

D i s e ñ o e x p e r i m

e n t a l

P r u e b a s

A n á l i s i s d e r e s

u l t a d o s

R e d a c c i ó n d e l a t e s i s

R e v i s i ó n y c o r r e c c i ó n d e l a t e s i s




4 Alcances, limitaciones y recursos 9

4. Alcances, limitaciones y recursos

4.1. Contribución

Desarrollar un sistema de control PID para un seguidor solar que sea controlado

por software el cual tenga como objetivo mejorar la eficiencia en dichos sistemas de

seguidores solares, a fin de optimizar el recurso energético y económico.

4.2. Limitaciones

1. La propuesta de solución al problema planteado se restringe al desarrollo de un

sistema el cual moverá la estructura del seguidor solar basado en un sistema de

control PID para aprovechar mejor la radiación solar.

2. El desarrollo de los algoritmos estará restringido al sistema de cómputo y a la

tarjeta de adquisisción de datos que se encuentre disponible dependiendo de la

capacidad de memoria y velocidad de procesamiento en el diseño experimental.

3. La validación del sistema y los resultados obtenidos estarán restringidos por la

eficiencia que este entregue al ponerlo en prueba (Deberá ser por lo menos igual a

la que entregan los sistemas comerciales).

4.3. Recursos disponibles

1. Material Bibliografico

2. Apoyo en la red de internet

3. Software y Licencia VisSim ECD

4. Software y Licencia Matlab

5. Software y Licencia LabView

6. Tarjeta de adquisición de datos

7. Equipo Electrónico

8. Material De Electrónica




5 Visto bueno de directores de tesis 10

5. Visto bueno de directores de tesis

Dr. Rafael Villela Varela

Director de tesis 1

Dr. Eneldo López Monteagudo

Director de tesis 2




Referencias 11

Referencias

[1] Indalux,Luminotécnia,(2002),[Online]http://www.indal.es/portal2/

cm/indalux/tkContent?pgseed=1267281147684&idContent=7226&locale=

es_ES&textOnly=false.

[2] Vásquez del Campo Carmelo ‘Estructura para seguidor solar espacial de captación

de energía solar”,Oficina Española de Patentes y Marcas .Número de publicación: 2

316 254, Diciembre 23 de 2009.

[3] ALOISI ROSSI Bruno, ‘Aplicación Energética”,(2005),[Online] http://www.

eurocad.arrakis.es/index2.html.

[4] Discovery Channel, ‘Paneles solares”,(2007),[Online] http://www.youtube.com/

watch?v=xJGSRhY6XUk.

[5] Discovery Channel,BRUNO0462, ‘Seguidor solar interactivo”,(2007),[Online] http:

//www.youtube.com/watch?v=Ud09alYMSJY.


protocolo (ejemplo)

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