SEGUIDOR SOLAR LIGERO PARA CUBIERTAS

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1 PROYECTO FIN DE CARRERA SEGUIDOR SOLAR LIGERO PARA CUBIERTAS AUTOR: Cecilia Pintos Lanzuela MADRID, Junio de 2010

2 RESUMEN Resumen El consumo de energía es básico para muchos aspectos del funcionamiento. La demanda de electricidad en nuestra sociedad es cada vez más alta. Hoy en día las energías renovables, o verdes, están muy demandadas por dos motivos: - Son respetuosas con el medio ambiente ya que su uso no emite productos contaminantes. - Se obtienen a partir de fuentes naturales que son inagotables. Gracias a éstas en un futuro se verá una gran disminución de la dependencia actual de las fuentes tradicionales de energía: los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). Según los pronósticos las fuentes fósiles utilizadas actualmente terminarán agotándose. La energía solar es la energía obtenida mediante la captación de la luz y el calor emitidos por el Sol. Ésta es un tipo de energía de las conocidas como energía verde. España, gracias a su situación geográfica, es uno de los países con mayor capacidad de aprovechamiento de la energía solar. Para captar la radiación solar se utilizan paneles solares situados sobre cubiertas o sobre el suelo. Estos paneles pueden ser fijos o estar situados sobre seguidores solares. 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. Por estos cambios en la orientación la energía solar obtenida por paneles situados sobre seguidores solares es superior a la obtenida por paneles fijos. Los seguidores de dos ejes se inclinan de manera que se mantienen siempre perpendiculares a los rayos solares y los de un eje se inclinan de forma que se mantengan lo más perpendiculares posible a la radiación solar. De esta forma son capaces de captar más radiación solar y así generar la máxima energía solar posible.

3 RESUMEN El proyecto que aquí se va a tratar, consiste en el diseño de un seguidor solar de un eje más ligero, de carga distribuida, con un coste de fabricación reducido y diseñado para las cubiertas de los edificios. Ilustración 1: Fotografía del seguidor solar diseñado Como se observa en la ilustración 1, el seguidor solar que se va a tratar en este proyecto tiene un diseño mecánico particular. El soporte del panel consiste en cuatro láminas elásticas que permiten inclinar el panel colector según el giro diario, Este-Oeste. El movimiento se realiza mediante hilos tensores que están atados al borde del panel y tiran de éste gracias al movimiento del motor. El mecanismo está situado, mediante los flejes, sobre un soporte metálico que permite desplazarlo de forma sencilla. El objetivo principal de este proyecto es obtener un movimiento preciso del seguidor solar definido. Para controlar el movimiento del motor se ha diseñado un circuito electrónico que tiene como corazón el microcontrolador PIC16F877. Ha sido también necesario un reloj en tiempo real (para la cuenta perfecta de horas,

4 RESUMEN minutos y segundos), un potenciómetro angular (para medir el ángulo exacto de inclinación del panel en cada momento) y otros componentes, la placa electrónica diseñada se puede ver en la ilustración 2. Ilustración 2: Fotografía de la placa electrónica Una vez definida la posición que ha de tener el panel en cada momento del día (vector normal al panel lo más paralelo posible a los rayos del Sol) se ha programado el microcontrolador para que el motor, que se conecta a la placa mediante dos cables, realice el movimiento necesario para que el panel colector se incline el ángulo deseado.

5 SUMMARY Summary Energy consumption is essential for any kind of development in a country. Electricity demand in our society is, nowadays, increasing very quickly. The world renewable energy demand is growing, and this is manly for two reasons: - They are environmentally friendly, their use does not emit pollutants. - They come from natural resources such as sunlight, wind, rain, etc. which are naturally replenished. Modern society rely largely on fossil fuels (oil, coal and natural gas), which are finite resources; actual dependence on them will be diminished by using renewable energies. Solar energy, one of the renewable energies, refers to the use of solar heat and radiation. Spain is one of the most advanced countries in the development of this kind of energy, since it is one of the European countries with more hours of sunlight. Solar panels are used to capture solar radiation, they can be located on roofs or in the floor, and can also be fixed or mobile. The solar radiation power and orientation depends on the day of the year, the hour, the atmospheric conditions and the latitude of the place in which the solar panel is located. This is why solar energy obtained by solar trackers is higher than the energy obtained by fixed panels. Two axis solar trackers move in order to stay always perpendicular to solar rays and one axis solar trackers move to stay as perpendicular to solar rays as the mechanism allows. This project consists on the design of a one axis solar tracker which is lighter than the existent solar trackers and has a distributed load; it also has a reduced manufacture cost and is designed to be located on building s roofs.

6 SUMMARY Illustration 1: Photograph of the solar tracker The illustration 1 shows a photograph of the solar tracker, it has a special design. The panel support consists of four metallic sheets that can be bended in order to place the panel towards the required direction. The movement is carried out through a tension cable which is tied to the edge of the panel and pulls it thanks to the motor movement. The mechanism is situated on a metallic support which allows an easier transportation. The main purpose of this project is to design and develop a precise movement of the solar tracker. In order to control the motor movement, a circuit has been designed. In the circuit the microcontroller PIC16F877 is the most important element. The circuit is also constituted by a real time clock (to count with precision hours, minutes and seconds), an angular potentiometer (to measure the panel inclination) and other components; the designed circuit is represented in illustration 2. The motor is connected to the circuit with two wires.

7 SUMMARY Illustration 2: Photograph of the circuit In order to program the microcontroller to control the motor movement the first step is to determine the inclination that the panel should have in each moment of the day. Once the programming is done, the microcontroller is programmed to control the motor movement.

8 DOCUMENTO Nº1 MEMORIA

9 ÍNDICE DE LA MEMORIA Índice de la memoria Parte I Memoria... 1 Capítulo 1 Introducción Introducción a las energías renovables y a la energía solar Energías renovables Energía solar Energía solar en España Ventajas de los seguidores solares Seguidores solares existentes Motivación del proyecto Objetivos Metodología Recursos empleados Capítulo 2 Diseño mecánico Diseño del seguidor Soporte en H Panel Solar Flejes Descripción Sujeción Motor Poleas Cable Movimiento del panel Ensayos del mecanismo I

10 ÍNDICE DE LA MEMORIA Capítulo 3 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar Definiciones previas Latitud Longitud Ángulo horario y hora UTC Ángulo anual Ángulo de los trópicos Determinación de la posición del Sol Vector posición Solar Ángulos representativos de la posición del Sol Ángulo de giro óptimo del panel Solar Vector normal al panel Solar Dirección de los rayos Solares Ángulo óptimo de inclinación Simplificación del ángulo óptimo de inclinación Ángulo máximo de giro del panel Solar Hora de la medianoche Solar Capítulo 4 Diseño electrónico Componentes de la placa electrónica Microcontrolador Características principales del núcleo Características de los periféricos Características de entrada y salida Características del encapsulado Características térmicas y eléctricas Cristal externo Características del cristal Selección del cristal Reloj en tiempo real Potenciómetro MOSFETS MOSFET de canal N MOSFET de canal P Transistores II

11 ÍNDICE DE LA MEMORIA Diodo zéner Partes del circuito Conexionado del microcontrolador Circuito de reset externo Circuito del potenciómetro Circuito del oscilador de frecuencia Negador Etapa de potencia Motor parado: Motor girando: Circuito del reloj en tiempo real Circuito completo Capítulo 5 Diseño del Software Bits de configuración del PIC16F Programas de prueba PWM RTC Inicializar el reloj Leer el reloj Programa del cálculo del ángulo teórico Leer el potenciómetro Programa completo Ángulo teórico y ángulo real iguales Ángulo real inferior al teórico Ángulo real superior al teórico Capítulo 6 Integración global Conexión entre el mecanismo y el sistema electrónico Conexión de la placa electrónica Conexión del motor Conexión del potenciómetro Determinación del PWM Capítulo 7 Conclusiones III

12 ÍNDICE DE LA MEMORIA Capítulo 8 Futuros desarrollos Control de las oscilaciones Recogida del panel Seguidor Solar de dos ejes Parte II Estudio económico Capítulo 1 Energía Solar: una apuesta de futuro Capítulo 2 Rentabilidad del seguidor solar ligero para cubiertas Parte III Manual de usuario Capítulo 1 Montaje mecánico Material necesario para el montaje Montaje Soldar el soporte Taladrar el soporte Taladrar el panel Colocar los enganches de los flejes Colocar los flejes Colocar poleas Colocar motor Poner cable Colocar potenciómetro Capítulo 2 Puesta en marcha de la placa electrónica Inicializar el reloj Programación final del PIC Capítulo 3 Integración, control y mecanismo Conexión de alimentación de la placa Conexión del motor Conexión del potenciómetro Parte IV Código fuente IV

13 ÍNDICE DE LA MEMORIA Capítulo 1 Inicialización del reloj Capítulo 2 Programa principal Capítulo 3 Funciones a las que llama el programa Leer_reloj(BYTE& day, BYTE& mth, BYTE& year, BYTE& dow, BYTE& hr, BYTE& min, BYTE& sec) Leer_potenciómetro() Calcular_angulo(BYTE h, BYTE min, BYTE sec, BYTE dia, BITE mes, BYTE año) Completa Simplificada (la utilizada finalmente) V

14 ÍNDICE DE FIGURAS Índice de figuras Figura 1: Radiación solar anual que llega a la superficie terrestre en W/m2 [3]... 4 Figura 2: Radiación solar en Europa en KWh/m2[4]... 5 Figura 3: Desarrollo histórico aña a año del mercado de energía solar fotovoltaica en el mundo [1]... 6 Figura 4: Prospección de la evolución de la energía solar fotovoltaica en España [1]... 7 Figura 5: Seguidor solar con columna única[8] Figura 6: Esquema simplificado del seguidor Solar diseñado (no está a escala).. 15 Figura 7: Soporte, vista desde arriba Figura 8: Soporte del motor Figura 9: Perfiles de las barras del soporte Figura 10: Panel Solar Figura 11: Flejes Figura 12: Esquema de la unión del panel o del soporte con los flejes Figura 13: Motor DC utilizado en el seguidor Figura 14: Polea utilizada en el mecanismo Figura 15: Panel Solar y vector normal Figura 16: Panel Solar con un ángulo de giro r Figura 17: Dirección de los rayos Solares Figura 18: PIC16F Figura 19: Cristal externo Figura 20: Esquema de conexión del cristal VI

15 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 21: RTC DS Figura 22: Diagrama de bloques del RTC DS Figura 23: MOSFET, polaridad N Figura 24: Esquema y símbolo MOSFET, polaridad N Figura 25: Curvas de funcionamiento del MOSFET canal N [10] Figura 26: MOSFET, polaridad P Figura 27: Símbolo del MOSFET, polaridad P Figura 28: Transistor bipolar NPN TO Figura 29: Esquema de un transistor bipolar NPN Figura 30: Diodo zener, esquema y símbolo Figura 31: Curva característica de un diodo zener[11] Figura 32: Configuración de los pines del PIC16F Figura 33: Reset externo Figura 34: Potenciómetro Figura 35: Circuito del oscilador de frecuencia Figura 36: Esquema para el cálculo del funcionamiento del negador Figura 37: Esquema del puente en H con transistores MOSFET Figura 38: Motor parado, entradas 0 V Figura 39: Motor girando en un sentido Figura 40: Corriente del drenador en función Figura 41: Motor girando en sentido contrario Figura 42: Circuito típico de operación del DS Figura 43: Pines de configuración del DS Figura 44: Circuito del reloj en tiempo real Figura 45: Cálculo Vcc2 cuando el diodo no conduce Figura 46: Fotografía del circuito final Figura 47: Bits de configuración del PIC16F VII

16 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 48: Diagrama de flujo del programa de prueba del PWM Figura 49: Salida de CCP1 y CCP2 en la prueba de control del PWM Figura 50: Diagrama de flujo de inicializar() Figura 51: Diagrama de flujo de leer_reloj() Figura 52: Diagrama de flujo, comprobar funcionamiento del reloj Figura 53: Diagrama de flujo de calculo() Figura 54: Diagrama de flujo de leer_potenciómetro() Figura 55: Diagrama de flujo del programa completo Figura 56: Salidas CCP1 y CCP2 con ángulo teórico y real iguales Figura 57: Salidas CCP1 y CCP2 con ángulo real inferior al teórico Figura 58: Salidas CCP1 y CCP2 con ángulo real superior al teórico Figura 59: Fotografía del seguidor Solar Figura 60: Cubierta Solar de Google [10] VIII

17 ÍNDICE DE TABLAS Índice de tablas Tabla 1: Ganancia obtenida con seguidores solares de un eje frente a paneles fijos [2]... 8 Tabla 2: Características de los flejes Tabla 3: Características del hilo utilizado Tabla 4: Modos del oscilador Tabla 5: Características eléctricas del RTC, Icc2 en función de Vcc Tabla 6: Coste de la instalación de un panel solar fijo sobre cubierta IV -

18 Memoria Parte I MEMORIA - 1-

19 Introducción Capítulo 1 INTRODUCCIÓN 1.1 INTRODUCCIÓN A LAS ENERGÍAS RENOVABLES Y A LA ENERGÍA SOLAR ENERGÍAS RENOVABLES Actualmente el consumo de energía es necesario para muchos aspectos de la actividad y el progreso. La energía es imprescindible para el desarrollo de un país, tanto es así que la tasa de consumo energético está muy relacionada con el grado de desarrollo económico de un estado. Desde tiempos remotos, las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos. La utilización de éstas disminuye desde finales del siglo XVII cuando James Watt inventa la revolucionaria máquina de vapor, que da lugar a otros motores de combustión interna impulsados por hidrocarburos derivados del petróleo. Entonces las energías renovables se consideran inestables ya que dependen del sol, del agua o del viento. Hacia la década de los años 1970 las energías renovables se consideran una alternativa ya que se empieza a ser consciente de los problemas que las energías tradicionales tendrán o causarán a largo plazo, como el agotamiento de sus fuentes y su grave impacto ambiental. Hoy en día las energías renovables, o verdes, están muy demandadas ya que su utilización no emite productos contaminantes para el medio ambiente y se obtienen a partir de fuentes naturales que son inagotables. Gracias a esta - 2-

20 Introducción alternativa en un futuro se verá una gran disminución de la dependencia actual de las fuentes tradicionales de energía: los combustibles fósiles (petróleo, carbón y gas natural). La necesidad de mantener nuestro planeta a largo plazo está haciendo que las energías renovables dejen de ser una alternativa y se conviertan en una realidad. En el plan de energías renovables España se compromete a producir el 20% de la energía consumida a partir de fuentes de energía renovables ENERGÍA SOLAR El Sol es, desde siempre, la principal fuente de energía en la Tierra. El Sol está en el origen de casi todas las energías renovables. El calentamiento de la tierra y del agua provoca las diferencias de presión que dan origen al viento, fuente de la energía eólica. La energía hidráulica también debe su existencia al Sol ya que este es el que provoca el ciclo del agua. En el proceso de fotosíntesis el Sol es un actor imprescindible; por lo tanto es necesario para la energía que utiliza la biomasa. Además se puede generar energía directamente mediante la captación de la luz y el calor emitidos por los rayos del Sol. La energía solar es un tipo de energía de las conocidas como energía verde; aunque, al final de su vida útil, los paneles - 3-

21 Introducción fotovoltaicos pueden suponer un residuo contaminante difícilmente reciclable a día de hoy. Dentro de esta generación de energía a partir de la radiación solar, hay varios subtipos. Las distintas tecnologías solares existentes: Energía solar térmica: Utilizada para producir agua caliente para uso sanitario y calefacción. Energía solar fotovoltaica: Producción de electricidad mediante paneles fotovoltaicos que generan energía eléctrica a partir de la radiación solar. Energía solar termoeléctrica: Producción de electricidad mediante un ciclo termodinámico convencional a partir de un fluido calentado por la radiación solar a alta temperatura (aceite térmico) Energía solar híbrida: Combina la energía solar con otra energía. Según la energía con la que se combine es una hibridación renovable o fósil. Energía eólico-solar: Funciona con el aire calentado por el Sol, que sube por una chimenea donde están los generadores. La potencia de la radiación solar, entre otros factores, depende de la zona en la que se esté situado como se muestra en la figura siguiente. Figura 1: Radiación solar anual que llega a la superficie terrestre en W/m 2 [3] - 4-

22 Introducción Como se puede observar en la figura 1 la radiación solar total que llega a la superficie terrestre anualmente depende de la situación geográfica. Influyen factores como latitud, altura y vegetación ENERGÍA SOLAR EN ESPAÑA La energía solar es uno de los sectores más desarrollado en España debido a las características climáticas de esta. Figura 2: Radiación solar en Europa en KWh/m 2 [4] Como se puede ver en la figura anterior, España, entre los países europeos es uno de los países con mayor capacidad de aprovechamiento de la energía solar gracias a su situación geográfica. - 5-

23 Introducción Figura 3: Desarrollo histórico aña a año del mercado de energía solar fotovoltaica en el mundo [1] El desarrollo de la energía solar, en todo el mundo, antes del año 2000 era muy escaso. En España su venta a la red estaba fomentada mediante primas sobre el precio de mercado que cobraban los productores por cada kwh inyectado a la red. En 2004 la fotovoltaica representaba una parte muy pequeña del conjunto de las renovables, que en total suponían aproximadamente el 6,5% del consumo de energía primaria. Desde el año 2000, y con la aprobación del Plan de Fomento de Energías Renovables en 1999, la instalación de placas fotovoltaicas ha ido creciendo cada año. En el Plan de Energías Renovables el objetivo era alcanzar en 2010 la cantidad de 400 MW de energía solar fotovoltaica instalada. En 2008 este objetivo se superó alcanzando unos 2600 MW instalados, y España se convirtió en el primer mercado fotovoltaico mundial superando a Alemania, tradicional líder - 6-

24 Introducción internacional en implantación de la energía solar. En el año 2008 la contribución total de las energías renovables a la economía española fue del 0,67% del PIB, del cual el 21,7% provino de la energía fotovoltaica según un estudio realizado por Deloitte para la Asociación de Productores de Energías Renovables. Considerando el crecimiento inesperado del sector fotovoltaico en España, el gobierno ha restringido la potencia anual que se permite instalar a 500 MW entre 2009 y MW. Actualmente la potencia fotovoltaica instalada en España ronda los 3500 Figura 4: Prospección de la evolución de la energía solar fotovoltaica en España [1] Como se observa en la figura 4 el sector de la energía fotovoltaica en España va a tener un crecimiento constante que se podrá ver acentuado en La energía solar fotovoltaica es una parte esencial del nuevo modelo energético español para el siglo XXI. - 7-

25 Introducción VENTAJAS DE LOS SEGUIDORES SOLARES Para captar la radiación solar, necesaria para la generación de energía fotovoltaica, se utilizan paneles solares situados sobre cubiertas o sobre el suelo. Estos paneles pueden ser fijos o estar situados sobre seguidores solares. Panel fijo (kwh/día.m2) Seguidor (kwh/día.m2) Ganancia (%) Enero 3,2 3,9 22 Febrero 3,7 4,5 22 Marzo 4,6 5,8 26 Abril 5,6 7,3 30 Mayo 5,8 8,1 40 Junio 5,7 8,3 46 Julio 5,7 8,1 42 Agosto 5, Septiembre 5, Octubre 4,3 5,4 26 Noviembre 3,3 4,1 24 Diciembre 2,9 3,58 23 Total Año 4,61 6,2 34 Tabla 1: Ganancia obtenida con seguidores solares de un eje frente a paneles fijos [2] 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 la posición del panel solar (como se ha observado en las figuras 1 y 2). Debido a estos cambios en la orientación, la energía solar obtenida por paneles situados sobre seguidores solares es un 30% superior a la obtenida por paneles fijos en un año, como se puede apreciar en la tabla 1. El ángulo de incidencia de la luz solar tiene un papel relevante en la cantidad de energía recibida y, por tanto, en la eficacia del dispositivo (tanto si es fotovoltaico como térmico). - 8-

26 Introducción Los seguidores de dos ejes se inclinan de manera que se mantienen siempre perpendiculares a los rayos solares y los de un eje se inclinan de forma que se mantengan lo más perpendiculares posible a la radiación solar. De esta forma son capaces de captar más radiación solar y así optimizar la captación de energía mediante paneles fotovoltaicos para su conversión en energía eléctrica. 1.2 SEGUIDORES SOLARES EXISTENTES Todos los seguidores solares incluyen mecanismos para orientar una placa colectora de forma que ésta permanezca lo más perpendicular posible a los rayos solares. Actualmente existen varios tipos de seguidores solares que se pueden dividir en dos grandes grupos: - Seguidor de dos ejes: la superficie se mantiene siempre perpendicular a los rayos solares. - Seguidores solares de un eje: Polar: la superficie gira sobre un eje orientado al Sur e inclinado respecto a la vertical un ángulo igual a la latitud. Azimutal (o vertical): la superficie gira sobre un eje vertical, el ángulo de inclinación de la superficie respecto a un plano horizontal es igual a la latitud. Horizontal: la superficie gira en un eje horizontal y orientado en dirección Norte-Sur Como en el seguidor de dos ejes la superficie se mantiene siempre perpendicular a los rayos solares, es el que consigue un mayor aprovechamiento de la energía solar. Aunque la ganancia energética no depende sólo del tipo de - 9-

27 Introducción seguidor, si no también depende en gran medida del emplazamiento, como se ha visto en el apartado anterior. Debido a que la mecánica de los seguidores de dos ejes es complicada, en algunas ocasiones, como en buena parte de las cubiertas, no resulta rentable teniendo en cuenta el incremento de energía obtenido, por lo que en esos casos es más común la utilización de seguidores solares de un eje. Figura 5: Seguidor solar con columna única[8] En los seguidores es usual que el soporte y el movimiento de la placa se realicen con una columna única. Si se tiene una placa colectora grande se producen intensos momentos mecánicos en el punto de giro causando un desgaste intenso. Además al necesitar soportar grandes momentos de inercia la columna necesaria tiene grandes dimensiones y no es factible la instalación de estos seguidores sobre cubiertas

28 Introducción 1.3 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO Se puede afirmar que el seguidor solar que se trata en este proyecto presenta importantes mejoras con respecto a los seguidores existentes. El soporte del panel está formado por elementos elásticos que son deformados por hilos tensores para inclinar el panel. De esta manera los problemas de desgaste, presentes en los seguidores convencionales y mencionados en el apartado anterior, desaparecerían ya que la carga está distribuida y no concentrada en la pequeña zona de la estructura. Además el diseño del seguidor y su ligereza permiten su instalación en zonas con espacios más reducidos y, más específicamente, sobre cubiertas (se dará una descripción más detallada del diseño mecánico en el segundo capítulo). En definitiva, este invento consiste en un seguidor solar más ligero, de carga distribuida, con un coste de fabricación reducido y diseñado para las cubiertas de los edificios. 1.4 OBJETIVOS El principal objetivo de este proyecto es diseñar un seguidor solar y obtener un buen funcionamiento del mismo. Este objetivo se puede dividir en tres sub-objetivos: En primer lugar, diseñar e implementar un sistema mecánico sencillo, robusto, barato y fácil de implantar

29 Introducción Por otra parte, también se tiene que diseñar la placa sobre la que se soldarán los componentes electrónicos necesarios para el funcionamiento del equipo, entre ellos un microcontrolador. La programación del microcontrolador se realizará para que el seguidor funcione con la máxima precisión posible. Finalmente, se analizará el comportamiento estático y la precisión del seguidor. Se harán los cambios pertinentes en la programación para que éste sea lo más eficaz posible. 1.5 METODOLOGÍA Para alcanzar el objetivo definido anteriormente se seguirá el proceso siguiente: En primer lugar se analizarán los diferentes seguidores existentes actualmente y se estudiarán las opciones para mejorarlos y conseguir un seguidor más barato y sencillo a la vez que robusto. Se utilizará el microcontrolador PIC16F877 para controlar el movimiento del seguidor. Además se necesitará también un reloj en tiempo real (para la cuenta perfecta de horas, minutos y segundos), un potenciómetro angular (para medir el ángulo exacto de inclinación del panel en cada momento) y otros componentes para el diseño y correcto funcionamiento de la placa. Se calculará la posición solar en cada minuto del día para cualquier día del año. Con esta información se podrá definir la posición del panel solar óptima para - 12-

30 Introducción cada momento: el vector normal al panel será lo más paralelo que sea posible a los rayos del Sol. Una vez determinada la posición óptima, se empezará a programar el microcontrolador. El programa se desarrollará en diferentes fases: - Programa mínimo: fijar un bit de salida a cero y otro a uno, para comprobar que el microprocesador funciona en la tarjeta. - Programa básico de PWM: fijar determinados valores para el módulo PWM y comprobar que se comporta de forma correcta, para confirmar que manejamos el módulo PWM de forma correcta. - Programa mínimo de entradas analógicas: Escribir la medida analógica en un puerto de salida, para confirmar que manejamos las entradas analógicas. - Programa del reloj de tiempo real: Escribir la medida del reloj de tiempo real en un puerto de salida, para confirmar que controlamos el reloj en tiempo real y su comunicación con el microprocesador. - Programa del potenciómetro: Escribir la medida del potenciómetro en un puerto de salida, para confirmar que leemos adecuadamente el potenciómetro. - Programa global: Dar a los motores las señales adecuadas para que vaya a la posición óptima o se mantenga en ella, en función de la medida del potenciómetro, y de la hora y día. Una se haya integrado el diseño mecánico y el electrónico, se realizará un análisis de los resultados, donde estudiaremos la precisión obtenida. Se realizarán los cambios pertinentes para conseguir un seguidor lo más robusto y eficaz posible. 1.6 RECURSOS EMPLEADOS Para el desarrollo del diseño mecánico y conseguir tener una visión clara del mismo, se ha realizado una maqueta del seguidor, así como dibujos esquemáticos en el programa Sketch-up

31 Introducción Para el desarrollo del hardware se han utilizado distintos componentes, entre los que se puede destacar el microcontrolador PIC16F877, que constituye el corazón del circuito electrónico. También se han utilizado las herramientas necesarias para realizar el montaje de la placa como el soldador, aparatos de medida como el osciloscopio y polímetros, y, finalmente una fuente de alimentación de tensión regulada. Para hacer un esquema de la placa electrónica se ha utilizado el programa Workbench. El microcontrolador se ha programado usando los programas MPLAB y PIC C Compiler, que combinados forman una herramienta para escribir y desarrollar código en lenguaje C, simularlo, traducirlo a código máquina y cargarlo en el microprocesador. Además de estos programas será necesario un programador de microcontroladores para implementar en el microcontrolador el programa escrito. Se usará el programador PICSTART Plus. Las pruebas para comprobar el buen funcionamiento se realizan sobre un seguidor montado en las instalaciones del Instituto de Automática del CSIC

32 Diseño mecánico Capítulo 2 DISEÑO MECÁNICO 2.1 DISEÑO DEL SEGUIDOR Se ha realizado el diseño de un seguidor cuyo movimiento se realiza mediante hilos tensores que deforman los elementos elásticos de soporte para inclinar el panel colector según el giro diario, Este-Oeste. Figura 6: Esquema simplificado del seguidor Solar diseñado (no está a escala) En la figura 6 se representa un esquema simplificado del diseño que se ha realizado, donde los componentes principales del diseño están señalados: soporte en H (1), panel Solar (2), flejes de lámina metálica (3), motor (4), poleas (5) y cable (6)

33 Diseño mecánico SOPORTE EN H El soporte metálico se ha diseñado para situar el seguidor encima (mediante los flejes) y que de esta forma sea más sencillo desplazarlo para realizar distintas pruebas y, más adelante, llevar a cabo la instalación en una cubierta. Por otra parte, frente a la opción de apoyar los flejes en el suelo, este sistema proporciona seguridad y estabilidad al sistema, ya que evita que los flejes se despeguen en su parte inferior, evitando así movimientos rápidos y peligrosos de éstos. El soporte está formado por tres barras metálicas. La sección de las dos barras de los lados es rectangular. En el centro de las barras se ha soldado otra con sección en forma de U. En el medio de esta última barra se encuentra soldado un soporte cuadrado con un agujero circular para colocar el motor (4). El material utilizado para realizar el soporte es acero. Figura 7: Soporte, vista desde arriba Figura 8: Soporte del motor - 16-

34 Diseño mecánico Figura 9: Perfiles de las barras del soporte PANEL SOLAR Figura 10: Panel Solar El panel utilizado en el diseño es del tipo TSM-1160M. Tiene las siguientes características: - Longitud: 1574 mm - Ancho: 825 mm - Grosor: 40 mm - Peso: 25 Kg - Potencia máxima: 160 W No se tienen en cuenta las características eléctricas, ya que no es objeto de este proyecto el tipo de panel utilizado

35 Diseño mecánico FLEJES Figura 11: Flejes Descripción Se colocan 4 flejes de lámina de acero, dos a cada lado del panel cerca de las esquinas del mismo. Se han colocado cuatro, ya que dos flejes situados en la mitad de los dos lados del panel no soportaban su peso y, sobre todo, no darían estabilidad suficiente: los flejes podrían torsionarse y el panel podría girar en torno a una recta paralela a la que une las dos zonas de apoyo de los flejes. Los flejes constituyen el soporte del panel y su movimiento está asegurado gracias a la flexibilidad de éstos. Los flejes utilizados tienen las siguientes características: Grosor Ancho Largo 0,15 cm 6 cm 95 cm Tabla 2: Características de los flejes - 18-

36 Diseño mecánico Sujeción Figura 12: Esquema de la unión del panel o del soporte con los flejes En la figura 12 se representa la forma en la que están unidos los flejes con el panel Solar y con el soporte. Es necesario una lámina metálica y dos tornillos MOTOR El motor (4) utilizado es de corriente continua, de tensión nominal 50 V y con caja reductora. Figura 13: Motor DC utilizado en el seguidor - 19-

37 Diseño mecánico POLEAS Las poleas se han añadido al diseño después de realizar la primera prueba. Las pruebas de diseño se han realizado aplicando al motor tensión conectándolo directamente con una fuente de tensión variable. Sin las poleas, la tensión proporcionada al motor, en este caso 5V, no le proporcionaba suficiente fuerza para tensar el cable lo suficiente para conseguir el movimiento del panel, dado que la dirección de esta tensión no era la más adecuada. Gracias a las poleas se consigue tirar del panel con una importante componente paralela al movimiento que va a realizar el panel, de esta manera el motor requerirá menor potencia para conseguir mover el panel. Figura 14: Polea utilizada en el mecanismo CABLE Material Diámetro Peso soportado Nylon 0,80 mm 27,4 kg Tabla 3: Características del hilo utilizado El cable se enrolla en el motor, dando 4 vueltas, pasa por las dos poleas y se ata al borde del panel por un extremo, y al borde contrario, por el otro extremo. Gracias a las cuatro vueltas y al rozamiento entre el cable y el eje del motor, el - 20-

38 Diseño mecánico cable no desliza sobre este eje, sino que se recoge de un lado y se suelta del otro cuando el motor gira. 2.2 MOVIMIENTO DEL PANEL En esta estructura el incremento de tensión en el cable en un lado del panel origina la aproximación a la polea por la cual recibe el cable del borde correspondiente del panel. Simultáneamente, el cable se suelta y se destensa en el lado contrario del panel, causando que este lado se aleje de la polea de la que recibe el cable. Como consecuencia, el panel gira con la orientación correspondiente. Cada vez que el cable tira del panel hacia un lado, los elementos de soporte se deforman por flexión (aumenta la flexión de los flejes del lado del cual se tira y disminuye la flexión de los flejes de lado que se suelta). El incremento de tensión en el cable en un lado del panel, y la relajación del cable en el lado contrario, se consigue mediante el giro del motor, regulado por el circuito electrónico combinado con el software. 2.3 ENSAYOS DEL MECANISMO Se han realizado distintos ensayos para determinar el ángulo máximo de giro del panel y la tensión (eléctrica) necesaria para que el motor consiga mover el panel

39 Diseño mecánico Se ha determinado que el ángulo de giro máximo del panel sin que el cable se rompa es de 40 hacia el Este y hacia el Oeste. En previsión de pequeños errores (redondeo de medida, rozamiento y fallo de inclinación del potenciómetro, etcétera), en el software se ha fijado el ángulo máximo a 35º en ambos sentidos. En el montaje no se ha conseguido obtener un sistema totalmente simétrico. Esto no afecta al buen funcionamiento del seguidor, pero hay que tener en cuenta este factor para programar el PWM con el que se va a controlar el giro del motor para conseguir el movimiento del panel, ya que el voltaje necesario para levantar el panel de inclinación hacia el Oeste a la posición horizontal va a ser distinto que el necesario para levantarlo de inclinación hacia el Este a la posición horizontal. Se determina que el voltaje mínimo necesario para levantar el panel cuando éste se encuentra girado 35 hacia el Oeste es 4,5 V, y el voltaje mínimo para levantar el panel cuando éste se encuentra girado 35 hacia el Este es 3,5 V

40 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar Capítulo 3 CÁLCULO DEL ÁNGULO DE GIRO ÓPTIMO DEL PANEL SOLAR 3.1 DEFINICIONES PREVIAS LATITUD Representa la distancia angular existente entre un determinado punto de la superficie terrestre y el Ecuador, medida a lo largo del meridiano que pasa por ese punto (por el camino más corto). Se mide en grados, entre -90 y 90 ; los valores negativos corresponden al hemisferio Sur y los positivos, al Norte. Se utilizará la latitud de Madrid: Norte LONGITUD Expresa la distancia angular entre un punto determinado de la superficie terrestre y el meridiano que se tome como meridiano de origen, medida a lo largo de un paralelo (una circunferencia de latitud constante). Actualmente se emplea como origen el meridiano de Greenwich que se define como la semicircunferencia imaginaria que une los polos y pasa por el antiguo observatorio de Greenwich (Londres). Se expresa en grados, entre -180 y 180, siendo positivo hacia el Oeste. Se utilizará la longitud de Madrid: 3 14 Oeste

41 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar ÁNGULO HORARIO Y HORA UTC Εl ángulo horario es el ángulo correspondiente a la hora UTC. Es el ángulo descrito por el Sol a lo largo de la circunferencia que describe cada día, desde una determinada referencia. A un periodo de 24 horas corresponde un ángulo de 360º, y a periodos menores corresponden ángulos proporcionales. La hora UTC, Tiempo Universal Coordinado, es el tiempo de la zona horaria de referencia respecto a la cual se calculan los tiempos de todas las otras zonas del mundo. La zona horaria de referencia resulta ser la hora Solar del meridiano de Greenwich. Como el proyecto se realiza en España y tomaremos la hora española de la península, la hora UTC se obtiene restando dos horas a esta hora en horario de verano, y una en horario de invierno. El horario de verano comienza a las 2:00 (a.m.) del domingo del último fin de semana completo de marzo y termina en las primeras 3:00 (a.m.) del domingo del último fin de semana completo de octubre. Para los cálculos lo aproximaremos a los meses desde abril hasta octubre. Por lo tanto el horario de invierno se considerará en los meses desde noviembre hasta marzo. Una vez calculada la hora UTC, se convierten los minutos y segundos de la misma a horas, dividiendo por 60 y 3600 respectivamente, y se suman los resultados a la hora. El ángulo horario se obtiene multiplicando la suma de los valores obtenidos por 360 y dividiendo por 24h, debido a que en un día, 24h, la tierra da una vuelta entera, recorre

42 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar ÁNGULO ANUAL Este ángulo se obtiene multiplicando el número de días transcurridos desde el último Solsticio de invierno por 360 y dividiéndolo por el número de días que tiene el año, es decir 366 si es bisiesto y 365 si no lo es. Como Solsticio de invierno se toma el del hemisferio Norte: el 21 de diciembre. El ángulo anual es una medida aproximada de la posición de la Tierra en su órbita alrededor del Sol ÁNGULO DE LOS TRÓPICOS Se refiere a la latitud de los trópicos en valor absoluto, es de 23 5 Norte. 3.2 DETERMINACIÓN DE LA POSICIÓN DEL SOL VECTOR POSICIÓN SOLAR El vector posición del Sol representa las coordenadas de un unitario en la dirección del Sol con respecto al Este, al Sur y a su altura, en un punto de la superficie Solar en un momento genérico. [ v, v v ] v =, ESTE SUR Z ( ϕ) ( δ β ) sen( ϕ) cos( α ) + cos( ϕ) sen( α ) ( δ β ) ( ϕ) sen( α ) + cos( ϕ) cos( α ) ( δ β ) v ESTE = cos sen v SUR v Z = cos = sen cos - 25-

43 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar Siendo los distintos parámetros los ángulos que, se han explicado anteriormente: δ : ángulo horario β : longitud α : latitud φ : ángulo de los trópicos γ : ángulo anual Se define el ángulo ϕ como: sen( ϕ) = sen( φ) cos( γ ), representa el ángulo de inclinación de los rayos Solares respecto a la perpendicular al Ecuador en ese momento del año ÁNGULOS REPRESENTATIVOS DE LA POSICIÓN DEL SOL Se van a utilizar un ángulo horizontal θ H y otro vertical θ V para definir la posición del Sol. El primero es la orientación de la proyección de la posición del Sol, mientras que el segundo mide la inclinación respecto a la horizontal de la posición Solar. El ángulo horizontal tiene como referencia el Norte y va en sentido horario, es decir en el Norte θ = 0 y en el Este θ = 90. La referencia del ángulo vertical es la horizontal con θ V = 0, mientras que H H θ = 90 en la vertical. V Se calculan estos ángulos para una posición solar cualquiera con la ayuda del vector posición del Sol: - 26-

44 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar θ H veste = arctan = vnorte v ESTE v SUR cos arctan ( ϕ) sen( δ β ) = ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) arctan sen ϕ cos α + cos ϕ sen α cos δ β ( ϕ) cos( α ) + cos( ϕ) sen( α ) cos( δ β ) cos( ϕ) sen( δ β ) ( ϕ) cos( α ) cos( ϕ) sen( α ) cos( δ β ) + ( ϕ) sen( δ β ) cos( ϕ) sen( δ β ) sen arc cot an = sen arc cot an cos θ = arc cot an tan( ϕ) H V cos sen ( α ) ( δ β ) + sen ( α ) cot an( δ β ) θ = arcsen ( ) = arcsen( sen( ϕ) sen( α ) cos( ϕ) cos( α ) cos( δ β )) v Z = 3.3 ÁNGULO DE GIRO ÓPTIMO DEL PANEL SOLAR En este apartado se va a calcular el ángulo óptimo en el que tiene que estar el panel Solar en cada momento para conseguir que la captación de energía Solar por el panel sea máxima

45 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar VECTOR NORMAL AL PANEL SOLAR Figura 15: Panel Solar y vector normal En la figura 15 se representa el panel Solar por la línea azul (visto de canto), este tiene una inclinación i respecto al suelo (plano xy). El vector n es normal al panel Solar y, éste tiene que ser lo más perpendicular posible a los rayos Solares para que la captación de energía Solar sea máxima. Para realizar los cálculos se ha escogido el sistema de coordenadas x y z que tienen la relación siguiente con el sistema xyz: x = y = z = ( sen( i ); 0;cos( i )) ( x' ; y' ; z' ) ( 0; 1; 0) ( x' ; y' ; z' ) ( cos( i ); 0;sen( i )) ( x' ; y' ; z' ) - 28-

46 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar Figura 16: Panel Solar con un ángulo de giro r En primer lugar se obtienen las coordenadas en el sistema x y z del vector normal al panel Solar si éste ha girado r grados: n' = ( cos( r); sen( r);0) Se toma r positivo en sentido horario y negativo en sentido antihorario según lo dibujado, mirando el panel desde el lado elevado. Expresado en el sistema de coordenadas xyz: sen( i) n = 0 cos( i) cos( i) cos( r) cos( r) sen( i) 0 sen( r) = sen( r) sen( i) 0 cos( r) cos( i) DIRECCIÓN DE LOS RAYOS SOLARES Para calcular la relación inversa que nos permita obtener las coordenadas a partir de los ángulos horizontal y vertical, resulta de utilidad un vector auxiliar horizontal que pertenece al plano xy, que corresponde al suelo del lugar en el que se vaya a instalar el seguidor solar. Este vector es la proyección del vector unitario de posición solar sobre el plano xy. Tiene una longitud cos(θ V ) y una orientación - 29-

47 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar θ H. Figura 17: Dirección de los rayos Solares Se define el vector s referido al sistema de coordenadas xyz que representa la dirección de los rayos Solares: s = S S S x y z ( S ; S ; S ) x y = cos( θ ) cos( θ ) V = cos( θ ) sen( θ ) V = sen( θ ) V z H H ÁNGULO ÓPTIMO DE INCLINACIÓN Para minimizar el ángulo entre los vectores n y s, ya que queremos que sean lo más paralelos posible, se maximiza el producto escalar entre los dos. ( s n) d dr = 0-30-

48 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar ( s n) d( S x cos( r) sen( i) S y sen( r) + S z cos( i) cos( r) ) d = dr S sen( r) sen( i) S x tg( r) = S x S y sen( i) S y z cos( r) S cos( i) z dt cos( i) sen( r) = 0 El ángulo de giro óptimo del panel Solar para un momento cualquiera del día queda finamente expresado como: r = arctg( S x S y sen( i) S z ) cos( i) SIMPLIFICACIÓN DEL ÁNGULO ÓPTIMO DE INCLINACIÓN Si el eje del seguidor está inclinado respecto a la horizontal un ángulo igual a la latitud, α, resulta: Por tanto, r = arctg S = arctg cos cos = arctg cos sen = arctg cos r = δ β x S y sen( i ) S i = α. z = arctg cos( i ) S cos( ϕ) sen( δ β ) 2 2 ( ϕ) sen ( α ) + cos ( α ) ( ϕ) sen( δ β ) ( ) ( ) ϕ 1 cos δ β ( δ β ) = [ ( δ β )] ( δ β ) arctg tg { } cos( δ β ) x S y sen( α ) S z cos( α ) Este resultado es lógico, ya que, si el eje del seguidor está inclinado respecto a la horizontal un ángulo igual a la latitud, la circunferencia de los posibles vectores normales al seguidor solar será paralela a la de la trayectoria del Sol sobre el cielo a lo largo del día. Como consecuencia, el ángulo del Sol en la - 31-

49 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar circunferencia que describe a lo largo del día coincidirá con el ángulo de su proyección sobre la circunferencia de posibles vectores paralelos al seguidor. Finalmente se trabajó con esta aproximación, por las dificultades que planteaban las operaciones trigonométricas en el microprocesador y por el escaso error que implicaba en la mayoría de los casos (teniendo en cuenta las limitaciones mecánicas de ángulo del seguidor, no se llegaba a perder ni un 1% de la radiación perpendicular al Sol en el caso más desfavorable, aun cuando la cubierta estuviese inclinada 20º más o menos que la latitud). 3.4 ÁNGULO MÁXIMO DE GIRO DEL PANEL SOLAR Habrá un ángulo máximo de giro del panel, que se determinará en función de las limitaciones de la estructura mecánica. Cuando el panel llegue a estar inclinado este ángulo máximo hacia el Oeste se quedará parado en esa posición hasta la hora de la medianoche. A esta hora, girará hasta el ángulo máximo hacia el Este, posición en la que se mantendrá hasta que el ángulo óptimo deje de ser más negativo que el límite negativo del panel. 3.5 HORA DE LA MEDIANOCHE SOLAR Es la hora en la que la noche es más oscura, esto se da cuando el Sol está más cercano al nadir, la intersección entre la vertical del observador y la mitad inferior de la esfera celeste. La hora de la medianoche Solar depende de la longitud y se calcula como: h anochecer β β = 24 =

50 Cálculo del ángulo de giro óptimo del panel Solar El resultado se obtiene en hora UTC y β corresponde a la longitud del lugar en el que se calcula, en este caso β=3,14. A esta hora el panel solar se inclinará el ángulo máximo hacia el Este esperando el amanecer

51 Diseño electrónico Capítulo 4 DISEÑO ELECTRÓNICO 4.1 COMPONENTES DE LA PLACA ELECTRÓNICA MICROCONTROLADOR El microcontrolador PIC16F877 constituye el corazón del circuito. El microcontrolador seleccionado pertenece a una gran familia de microcontroladores de 8 bits (tamaño de los registros de las variables). Esta familia de microcontroladores se caracteriza por la alta eficiencia de sus dispositivos en el uso de la memoria de datos y programa y, por lo tanto, en la velocidad de ejecución. Figura 18: PIC16F Características principales del núcleo - CPU con filosofía de diseño RISC (Reduced Instruction Set) de alto rendimiento. - Para manejarlo sólo se necesitan 35 instrucciones. - La frecuencia de operación alcanza 20MHz, 200ns de ciclo de instrucción. - 8Kb x 14 bits de memoria Flash de programa bytes de memoria de datos (RAM) bytes de memoria de datos EEPROM - Reset de encendido (POR) - Timer de encendido (PWRT) - Timer de arranque del oscilador (OST) - Sistema de vigilancia Watchdog Timer (WDT) con oscilador RC propio que asegura un funcionamiento fiable - Protección de código programable - Modo Sleep de bajo consumo de energía - 34-

52 Diseño electrónico - Opciones de selección del oscilador - CMOS/FLASH EEPROM de bajo consumo y alta velocidad - Programación y depuración serie In-Circuit (ICSP) a través de dos pines - Lectura/Escritura de la CPU a la memoria flash del programa - Voltaje de Operación: 2,0 V a 5,5 V - Disipación de la corriente de la fuente: 25 ma - Rangos de temperatura estándar de operación: Comercial: entre 0 C y +70 C industrial: entre -40 C y +85 C - Bajo consumo de potencia Características de los periféricos - Timer 0: Temporizador/Contador de 8 bits con pre-escalado de 8 bits - Timer 1: Temporizador/Contador de 16 bits con pre-escalado - Timer 2: Temporizador/Contador de 8 bits con pre-escalado, postescalado y registro de periodo de 8 bits. - Dos módulos de captura y comparación PWM: Captura de 16 bit, máxima resolución 12,5 ns Comparación de 16 bit, máxima resolución 200 ns La resolución máxima de PWM es de 10 bit. - Convertidor analógico-digital de 10 bits con 8 canales de entrada. - Puerto Serie Síncrono (SSP) - Puerto Serie Universal (USART/SCI) - Puerto Paralelo Esclavo (PSP) de 8 bits con líneas de protocolo. - Reset de protección ante caídas de tensión (BOR) Características de entrada y salida En total el PIC16F877 tiene 40 pines, entre ellos se pueden destacar: - 33 pines de propósito general de entrada o salida. - 1 pin de sólo entrada (OSC1) y 1 de sólo salida (OSC2) entre los que se conecta el oscilador externo. - 1 pin utilizado para borrar las posiciones de memoria del PIC. - 2 pines de referencia a tierra (Vss) y otros 2 de suministro (VDD) Características del encapsulado El encapsulado es tipo PDIP (Plastic Dual In Line Package) de 40 pines