PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATÓLICA DEL PERÚ
FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA
EL CONTROL ELECTRÓNICO DE UN REFLECTOR SCHEFFLER
Tesis para optar el Título de Ingeniero Electrónico, que presenta el bachiller:
Frank Roger Loayza Ochoa
ASESOR: A. Carlos Alcócer García
Lima, marzo del 2012
II
RESUMEN
Los diversos acontecimientos a nivel mundial, tales como el calentamiento
global, la contaminación, escasez de recursos no renovables, la gran demanda
energética, o simplemente aquellos lugares que no poseen suministro eléctrico, ya
sea por razones geográficas o por elevados costos de instalación, motivan a miles
de personas y entidades empresariales por la búsqueda de alternativas energéticas
limpias y eficientes tales como la energía solar. El Perú, gracias a su situación
geográfica, es uno de los países con mayor capacidad de aprovechamiento de este
tipo de energía.
Para captar la radiación solar se utilizan concentradores solares, pero la
potencia y orientación de esta varía según el día del año, la hora, las condiciones
atmosféricas y la latitud del lugar de posición del concentrador solar. Por estos
cambios en la orientación, la energía solar obtenida por concentradores con
seguidores solares es superior a la obtenida por concentradores fijos.
Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar e implementar un seguidor
solar para el control electrónico de un reflector parabólico tipo Scheffler. Este
reflector solar, construido por el GRUPO PUCP, tiene como fin cocinar con la
energía del Sol en zonas rurales de la manera más cómoda, barata y eficiente
posible.
El estudio se estructuró en cuatro capítulos. En el capítulo I se hace una
introducción a los conceptos básicos sobre energía solar, además de la descripción
y necesidad del tema en estudio. En el capítulo II se estudia el estado del arte, los
antecedentes, y todo lo existente en materia de seguidores solares, también se
plantean los Objetivos generales y específicos. En el capítulo III se realiza la
selección del método de seguimiento y la implementación del seguidor solar,
gobernado por un microcontrolador PIC sobre un actuador hecho con un motor CC
que posiciona el concentrador solar realizando un seguimiento de la trayectoria del
sol, con respecto al plano terrestre. Por último en el capítulo IV se efectúa un
análisis final de los resultados, asimismo se presentan las conclusiones y
sugerencias del estudio realizado para trabajos futuros en esta materia.
III
IV
VDEDICATORIA:
Dedico este gran esfuerzo de mi vida, a mis Padres, por su gran
apoyo y colaboración durante todo el tiempo que impulsaron mi
superación personal con amor, paciencia y comprensión.
Frank Loayza
VI
AGRADECIMIENTOS:
Agradezco a mi Padre, por haberme dado la oportunidad de estudiar esta carrera y
apoyarme abnegadamente durante toda mi vida.
A mi Madre por su cariño incondicional y consejo siempre oportuno que siempre me
lleno de fuerza para concluir mis metas.
A mis hermanos, por su alegría y cariño, por conformar esa maravillosa familia que
tenemos y ha sido el mejor respaldo y motivación.
A mis compañeros de clase, por compartir sus conocimientos, por su ayuda y por
los momentos tan agradables que pasamos juntos.
Mi agradecimiento al Ing. Carlos Alcócer, asesor de la presente tesis, por la
colaboración con sus conocimientos y apoyo al desarrollo de todo el Proyecto.
Al Grupo PUCP por haberme facilitado el desarrollo de este Proyecto.
VII
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………...…………1
CAPÍTULO 1: ENERGÍA SOLAR: UNA ALTERNATIVA ENERGÉTICA ANTE LA
PROBLEMÁTICA DE INCLUSIÓN SOCIAL
1.1 Historia y evolución de la Energía Solar……………………………….………..2
1.2 Radiación Solar………………………………………….....................................3
1.2.1 Aspectos físicos de la radiación solar……………………………..........3
1.2.2 Influencia del ángulo de incidencia………………………………..…….4
1.2.3 La radiación solar en el Perú……………………………………..……...4
1.2.4 Efectos de la radiación al incidir sobre los materiales…………………5
1.3 Concentradores Solares………………………………………………..………....6
1.3.1 Definición……………………………………………………..……….……6
1.3.2 Reflectores……………………………………………………..….……….6
1.3.2.1Reflectores Parabólicos…………………………………………..7
1.3.2.2Reflectores Scheffler………………………….………………..…8
1.4 Declaración de la problemática………………………...….……..……………..10
1.5 Síntesis y consecuencias……………………………………….………….……11
CAPÍTULO 2: TECNOLOGÍAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE
SEGUIMIENTO SOLAR
2.1 Estado del arte………………………………………………………………..…..12
2.1.1 Presentación del asunto de estudio…………….………….……….….12
2.1.2 Estado de investigación…………………………………….……..…….12
2.1.2.1 Sistemas de seguimiento solar aceptados por el IEEE….….13
2.1.2.2Seguidores Solares disponibles en el mercado………….…..15
2.2 Conceptualizaciones Generales....................................................................17
2.3 Modelo teórico…………………………………………………………..………...18
2.4 Objetivos………………………………………………………….……..…………20
2.4.1 Objetivos General………………………………………………….…….20
2.4.2 Objetivos Específicos……………………………………………..……..20
CAPÍTULO 3: DISEÑO DEL SEGUIDOR SOLAR
3.1 Antecedentes………………………………………………………………..…….21
3.2 Definición del método…………………………….………………………....……22
3.3 Diagrama del sistema de control de posición……………….……………...…23
3.4 Cálculo de la posición solar………………………………………………..…….24
3.5 Diseño del sistema de control…………………………………..……………….26
3.6 Diseño electrónico……………………………………………………………..…28
3.6.1 Esquemático……………………………………………………………...28
3.6.2 Partes del circuito…………………………………………….……..……29
3.6.2.1Conexionado del microcontrolador………………………..…..29
3.6.2.2Circuito de Reset externo…………………………………...….30
3.6.2.3Conexionado del Encoder…………………………………..….30
3.6.2.4Circuito del oscilador de frecuencia………………………..….31
3.6.2.5Circuito del reloj en tiempo real…………………………….….31
3.6.2.6Conexionado de la Memoria EEPROM………………….....…33
3.6.2.7Circuito para el Display de Cristal Líquido (LCD)……….……34
3.6.2.8Circuito para el Teclado matricial de 4x4 teclas…………..….35
VIII
3.6.2.9Circuito de alimentación………………………………….….….36
3.6.2.10 Etapa de potencia………………………………….…….…….37
3.7 Desarrollo del programa…………………………………………………….…...39
3.7.1 MikroPascal para PIC……………………………………………….…...39
CAPÍTULO 4: PRUEBAS FINALES Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS
4.1 Consideraciones preliminares. …………………………………...……..….…..40
4.2 Pruebas del sistema……………………………………………….…………..…40
4.2.1 Problemas encontrados durante la etapa de pruebas…………….....42
4.2.1.1Problema con el límite de fin de carrera……….……….…..…43
4.3 Análisis de Resultados………………………………………….……………..…43
4.4 Observaciones………………………………………………………….…….…..44
CONCLUSIONES………………………………………………………………..………..45
MEJORAS Y TRABAJOS FUTUROS………………………………………….....……46
BIBLIOGRAFÍA………………………………………………………………………..….48
ANEXOS
ANEXO A……………………………………………………………………………….…....i
ANEXO B………………………………………………………………………………....…iii
ANEXO C……………………………………………………………………………….…...v
ANEXO D…………………………………………………………………………….……xxii
IX
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO 1
FIGURA 1.1: Espectro Solar……………………………………………………………..3
FIGURA 1.2: Superficies reflectantes ordenadas……………………………………...6
FIGURA 1.3: Superficies reflectantes orientadas con un ángulo de incidencia.......
ƴi igual al ángulo de reflexión ƴf……………………………………….....7
FIGURA 1.4: Parábola…………….………….…………………………………….…….8
FIGURA 1.5: Paraboloide…………………………………………………………….......9
FIGURA 1.6: Variación del ángulo de incidencia de la radiación……………..…...…9
CAPÍTULO 2
FIGURA 2.1: Inclinación del eje de rotación terrestre………………….…………....13
FIGURA 2.2: Eclíptica del Sol en invierno y verano…………….………..…………..14
FIGURA 2.3: Representación Gráfica del Modelo……………….…………………...19
CAPÍTULO 3
FIGURA 3.1: Eje de elevación del reflector, 3 elevaciones durante el año….….…21
FIGURA 3.2: Estructura mecánica del reflector……………………...………….…..22
FIGURA 3.3: Diagrama conceptual del sistema de control de posición…………...23
FIGURA 3.4: Diagrama de bloques de interconexión física………..……………….23
FIGURA 3.5: Posición del sol……………………………….......................................25
FIGURA 3.6: Diagrama de flujo………………………………….………….………….27
FIGURA 3.7: Diagrama esquemático del hardware de control………….………….28
FIGURA 3.8: Configuración de los pines del PIC16F877……………………..…….29
FIGURA 3.9: Reset externo……………………………………………….…………….30
FIGURA 3.10:Conexionado del encoder………………………………………....….…31
FIGURA 3.11:Circuito del oscilador de frecuencia……………………………...…….31
FIGURA 3.12:Circuito típico de operación del DS1307……….…………………...…32
FIGURA 3.13:Pines de configuración del DS1307………………………………...….32
FIGURA 3.14:Circuito del reloj en tiempo real………………….…………………..…33
FIGURA 3.15:Memoria EEPROM 24LC512…….………………………………….….33
FIGURA 3.16:Circuito de la Memoria EEPROM…………………………….……..….34
FIGURA 3.17:Circuito del LCD………………….…………………………….……...…35
FIGURA 3.18:Esquema de conexionado del teclado………………………..…….….36
FIGURA 3.19:Conexión del teclado matricial con el PIC………………….…...…….36
FIGURA 3.20:Configuración típica del 7805…………………………………….……..37
FIGURA 3.21:Esquema eléctrico del puente H………………………………….…….38
CAPÍTULO 4
FIGURA 4.1: Reflector Scheffler de 2,7m2...………............................................….40
FIGURA 4.2: Circuito de control del seguidor solar…………………………...……..41
FIGURA 4.3: Instalación del circuito de control………………….…………………...41
FIGURA 4.4: Pantalla principal del circuito de control……….…………..….……….42
FIGURA 4.5: Luz reflejada en el foco……………….………….…………..………….42
XÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO 3
TABLA 3.1: Pines del DS1307 y su descripción………………….…….…………..32
TABLA 3.2: Pines de la memoria serial EEPROM 24LC512 y su función….....…33
TABLA 3.3: Descripción de los Pines del LCD LM016L……………………….…..34
1INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la humanidad a través de la historia está ligado de manera
muy significativa al tipo de energía utilizada y sus formas de aprovechamiento. El
modelo energético actual a base de combustibles fósiles como fuente, genera un
impacto ambiental y no es sustentable debido a que, para satisfacer las demandas
de energía actuales, compromete la integridad de las futuras generaciones. Por
esto es necesario establecer un nuevo modelo energético que sea sustentable en el
que las energías renovables sean el eje de desarrollo, pues este tipo de energías
tienen un ciclo de regeneración mayor al de consumo, por lo que son inagotables.
Este proyecto usa la energía solar que se utiliza para generar energía
térmica o eléctrica, pero su aprovechamiento requiere de nuevas tecnologías y de
equipos de comprobación y homologación para el desarrollo de nuevos sistemas,
con el objeto de mejorar la eficiencia y máximo aprovechamiento.
En este contexto, el horno solar es un prototipo experimental de generación
térmica que aprovecha la energía del sol. Este dispositivo tiene como parte
fundamental al concentrador parabólico, que utiliza la geometría de la parábola para
poder concentrar los rayos solares que le llega en su foco. Pero la incidencia de los
rayos solares sobre este concentrador difiere en su perpendicularidad a lo largo del día
y por lo tanto se ve reducida su eficiencia. Es posible corregir esta situación utilizando
un seguidor solar que orienta al concentrador a la posición del Sol, siguiendo su
trayectoria aparente ocasionada por el movimiento rotacional de la Tierra.
Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar e implementar un seguidor
solar para el control electrónico, basado en microprocesador, de un reflector
parabólico tipo Scheffler. Este reflector solar, que ya fue construido por el GRUPO
PUCP, tiene como finalidad poder cocinar con la energía del Sol en zonas rurales
de la manera más cómoda, barata y eficiente posible; sin embargo, utilizaba un
sistema de control no confiable y sencillo.
Para este fin, se analiza la información relacionada con el tema en estudio y
se utiliza los conceptos teóricos y prácticos que se requiere para su desarrollo. Se
selecciona uno de los métodos de seguimiento solar, dentro de la gama existente, y
se diseñará un circuito de control, basado en microprocesador, que se encargue de
generar las señales de control necesarias que requiere el actuador para mover el
reflector. Por último, se realizará pruebas para comprobar y validar su
funcionamiento.
2CAPÍTULO 1
ENERGÍA SOLAR: UNA ALTERNATIVA ENERGÉTICA ANTE LA
PROBLEMÁTICA DE INCLUSIÓN SOCIAL
1.1 Historia y evolución de la energía solar
La energía solar, como bien dice su nombre, proviene del Sol, astro que nos
ha iluminado por más de cinco mil millones de años, y además es la principal fuente
natural de energía que ha utilizado el hombre desde los tiempos más remotos. Su
luz y calor pueden ser transformados en otros tipos de energía.
A pesar de que la idea de utilizar el Sol como fuente energética es muy
antigua, el hombre se vio limitado a esto, por millones de años, debido al bajo nivel
térmico. Los primeros usos, según cuenta la historia, datan de la antigua Grecia,
cuando Sófocles propuso la construcción de las viviendas en relación a la posición
del sol, y el sabio Arquímedes utilizó espejos solares para incendiar la flota
enemiga, idea que perduró en los siglos posteriores utilizándolos en la quema de
árboles, fundición de metales, entre otros; técnica que se perfeccionó con Lavoisier,
quien creó el primer "horno solar", empleado para fundir metales. En el siglo XIX la
conversión de la energía solar en otras formas de energía, fue enfocada para
alimentar las máquinas de vapor, como también en la destilación de agua para su
potabilización. Años más tarde el Francés Pifre, creó la primera máquina basada en
la conversión de ésta energía, máquina destinada a la industria de la Imprenta.
Así fue, con el transcurso de los años, que la energía solar fue cobrando
más campo en el ámbito energético, ya que con el desgaste de las energías fósiles
(no renovables), el hombre ha ido en busca de nuevas opciones, ya que, el Sol no
ha vivido la mitad de lo esperado, y en un año genera cinco mil veces más energía
de la que necesitamos. [1]
31.2 Radiación Solar
1.2.1 Aspectos físicos de la radiación solar
La energía que emite el Sol se genera en las reacciones de fusión nuclear
producidas en su interior, donde la temperatura estimada en el núcleo es del orden
de 10 a 15 millones de Kelvin. Esta energía se absorbe y transmite a través de las
diversas capas solares y finalmente se emite en la cromosfera en forma de
radiación electromagnética y viento solar (partículas cargadas). La radiación
electromagnética proveniente del Sol es lo que se denomina comúnmente como
radiación solar. Su espectro de acuerdo a la figura 1.1, es equivalente al que
emitiría un cuerpo negro a 5900 Kelvin (temperatura de la fotósfera).
Figura 1.1: Espectro Solar
El parámetro que indica la intensidad de la radiación solar fuera de la
atmósfera terrestre es la llamada constante solar. Ésta se define como la energía
incidente en la unidad de tiempo, sobre una superficie unitaria, perpendicular a la
radiación y situada en el exterior de la atmósfera terrestre a la distancia media
anual entre el Sol y la Tierra. Las últimas determinaciones realizadas dan un valor
de 1366 W/m2.
La radiación sufre ciertas transformaciones al atravesar la atmósfera debido
a los fenómenos de absorción, reflexión y refracción. En términos generales,
podemos decir que en un día claro la intensidad de radiación puede alcanzar los
41000 W/m2 (de los cuales el 3% es radiación ultravioleta, 57% luz visible y el 40%
radiación infrarroja), mientras que en días cubiertos puede llegar a 60 W/m2.
A partir de estos fenómenos podemos clasificar a la radiación solar en:
 Radiación directa: Es la proveniente del disco solar sin sufrir variaciones
en su dirección original. Se caracteriza porque produce sombra y puede
concentrarse mediante lentes o redirigirse por medio de espejos.
 Radiación difusa: Es la proveniente de cualquier dirección del cielo,
exceptuando el disco solar. No produce sombras ni puede enfocarse con
instrumentos ópticos.
A la suma de ambas se la conoce como radiación global. La distribución de
la radiación entre directa y difusa depende de las condiciones de la atmósfera. En
días muy claros, la radiación directa puede llegar a ser del 85%, mientras que en
días cubiertos la radiación difusa supone el 100% de la radiación global.
1.2.2 Influencia del ángulo de incidencia
El ángulo de incidencia es el formado por la normal a la superficie y la
dirección de propagación de la radiación solar. Éste ángulo influye en dos aspectos:
 La radiación solar es menos intensa cuando el ángulo de incidencia es
mayor. Al mediodía, cuando los rayos solares caen perpendicularmente a la
superficie terrestre (su ángulo de incidencia es nulo) son más intensos que
al atardecer (ángulo de incidencia máximo).
 La cantidad de atmósfera que atraviesa la radiación también depende del
ángulo de incidencia. [2]
1.2.3 La radiación solar en el Perú
El Perú está considerado entre los 6 países con mayor incidencia de energía
solar en el planeta. Al encontrarse entre el paralelo 0º 08´ Latitud Norte y 18º 13´
Latitud Sur, dentro de los trópicos, dispone de energía solar con poca variación
anual, en comparación con latitudes medias y altas.
Los valores extremos de radiación solar, son en promedio de 340 y 150
W/m2 durante los meses de verano e invierno, respectivamente; esto es ignorando
la presencia de la capa atmosférica. Esta poca variación se atribuye al hecho que
en estas latitudes los rayos solares son casi perpendiculares a la superficie terrestre
5durante todo el año, dando lugar a una máxima incidencia de la radiación solar por
unidad de área y tiempo.
La presencia de la atmósfera reduce considerablemente la radiación solar
incidente sobre la superficie de la tierra, puesto que la atmósfera, en función a sus
constituyentes gaseosos y aerosoles presentes en ella, tiene la capacidad de
absorber, dispersar y reflejar la radiación solar. Así por ejemplo, las cifras antes
citadas, se reduce aproximadamente a 240 y 100 W/m2, si se considera que la
atmósfera transmite solo un 70% de la radiación solar. La cantidad de radiación
transmitida por la atmósfera es menor si mayor es la concentración de Ozono,
vapor de agua, dióxido de carbono y aerosoles en la atmósfera. La concentración y
cantidad de los 3 últimos disminuye con la altitud; por esta razón en el Perú, debido
a su orografía la radiación solar incidente aumenta considerablemente en la Sierra
peruana. Esta región se encuentra principalmente entre los 2000 y 3000 metros de
altitud y ocupan un 30 % del territorio nacional. En las zonas de mayor altitud; como
la Meseta Titicaca y las Pampas de Junín, la radiación incidente es mucho mayor.
La intensidad y cantidad de radiación solar incidente sobre la superficie es
también controlada por la clase y cantidad de nubes presentes durante el día, y
aquellas predominantes durante el año. En la costa peruana, específicamente en
Pisco - Ica y Costa Norte, el cielo está despejado casi todo el año permitiendo una
mayor incidencia de radiación solar. En el resto de la costa baja, la radiación solar
incidente aumenta marcadamente de invierno a verano por efectos estacionales y la
disminución de la nubosidad. En la sierra ceja de selva, la nubosidad es mínima o
nula en el invierno y la cantidad de vapor de agua es muy pequeña. Las nubes
predominantes en la Sierra y Selva son de corta vida durante el verano, lo cual no
disminuye mucho la radiación incidente sobre la superficie. [3]
1.2.4 Efectos de la radiación al incidir sobre los materiales
Cuando la radiación llega a un material, se producen tres efectos:
 Absorción: el material absorbe la radiación.
 Reflexión: el material rechaza y devuelve la radiación.
 Refracción: la radiación traspasa el material, pudiendo variar su dirección
según el ángulo de incidencia. Si la radiación incide perpendicularmente al
material, ésta no variará su dirección. [2]
61.3 Concentradores Solares
1.3.1 Definición
Los concentradores solares son dispositivos con los cuales se logra gran
cantidad de radiación concentrada sobre un absorbedor, suficiente para lograr
temperaturas arriba de los 200 ºC hasta los 3800 ºC. Para lograr altas
concentraciones mayores de 200 ºC, se requieren de mecanismos para seguir el
movimiento virtual del Sol que sea muy preciso. Los concentradores estacionarios
tienen concentraciones mayores que 1 y menores que 10, no requieren seguimiento
del Sol muy preciso, basta con un ajuste ocasional a lo largo del año. En cambio,
los concentradores con razón de concentración dentro del intervalo de 10 hasta
3000 necesitan que su geometría y el mecanismo de seguimiento sean muy
precisos. [4] Algunas definiciones necesarias para entender los concentradores
solares se pueden encontrar en el anexo A.
1.3.2 Reflectores
Los reflectores son unas superficies reflectantes ordenadas de tal forma, que
una onda plana al incidir en ellas, se refleja pasando por un punto ƒ como se observa
en la figura 1.2. Si en el punto ƒ se coloca una fuente receptora, es de esperar que
se reciba en ella toda la energía del frente de onda. Además, deben ser orientadas
de manera tal, que cada una de las superficies, presente un ángulo de incidencia ƴi,
igual al ángulo de reflexión ƴf. Véase la figura 1.3
Figura 1.2: Superficies reflectantes ordenadas
7Figura 1.3: Superficies reflectantes orientadas con un ángulo de incidencia
ƴi igual al ángulo de reflexión ƴf.
Existen reflectores de diferentes formas: paraboloide, hiperboloide,
esferoide, elipsoide o una forma general. Casi todos los contornos pueden
relacionarse con la parábola, la esfera o la elipse. Los reflectores parabólicos son
los más utilizados. [5]
1.3.2.1 Reflectores parabólicos
Los reflectores parabólicos representan la forma de reflector más utilizada.
Ofrecen la posibilidad de dirigir las ondas de modo más variado, ya sea por
radiación concentrada, horizontal o asimétrica, y posibilitan también una
determinada limitación de deslumbramiento. Si el contorno del reflector se
construye por el propio eje mediante rotación de una parábola o un segmento
parabólico, resulta un reflector con distribución de onda de radiación controlada.
Las superficies reflectantes permiten transportar por reflexión, la energía del frente
de onda al punto ƒ. Punto en donde se sumarían las ondas con igual fase. La
parábola como figura geométrica en un plano o el paraboloide como figura espacial
“tienen naturalmente” las propiedades enunciadas para las n superficies
reflectantes. Una propiedad del paraboloide es que: los caminos que parten del foco
ƒ y se reflejan en el paraboloide, llegan a una superficie S con recorridos de igual
longitud. Véase la figura 1.4.
8Figura 1.4: Parábola
Por lo dicho, una onda reflejada según el camino 1, tarda el mismo tiempo o
lo hace con igual fase, que las ondas que recorren los caminos 2...n. Otra
propiedad de la parábola es que la tangente en un punto P (figura 1.4) tiene una
orientación tal, que el ángulo de incidencia ƴi, es igual al ángulo de reflexión ƴf.
Estas propiedades son útiles para el diseño de reflectores parabólicos [5].
1.3.2.2 Reflectores Scheffler
Un reflector Scheffler es un ingenio solar de concentración de la luz solar
que permite, entre otras posibles aplicaciones, cocinar con la energía del Sol. El
objetivo que condujo al desarrollo de los reflectores Scheffler fue hacer la cocción
solar lo más cómoda posible. Con esta idea, el físico Wolfgang Scheffler diseñó una
cocina solar que permitiera que el "fogón" de cocción permaneciera inmóvil
mientras el Sol seguía su trayectoria celeste [6]. La mejor solución para ello era la
de un espejo parabólico excéntrico, deformable, que gira de forma sincronizada con
el sol en torno a un eje paralelo al eje terrestre. Mediante deformación se ajusta de
forma sencilla y mecánica a las diferentes estaciones del año. El reflector es una
sección lateral pequeña de un paraboloide redondo bastante grande como se
observa en la figura 1.5. Debido al trazo de corte inclinado se crea el contorno
elíptico típico del reflector Scheffler. La luz reflejada por esta sección del
paraboloide incide lateralmente en el foco ligeramente alejado de ésta. El eje para
el seguimiento horario se encuentra en dirección norte-sur, paralelo al eje terrestre,
pasando por el centro de gravedad del reflector. Así siempre está en equilibrio y el
mecanismo de relojería sólo debe ser accionado con poca fuerza para girarlo de
9forma sincronizada con el sol. Para que el foco no se desplace, éste se encuentra en
el eje de rotación. La distancia entre el foco y el punto medio del reflector depende de
la parábola inicial seleccionada.  De este modo, la luz concentrada sólo girará
alrededor de su propio centro a lo largo del día, pero no se moverá lateralmente en
ninguna dirección. O sea que el foco se mantiene fijo, lo que naturalmente resulta
práctico, ya que la olla tampoco deberá moverse.
Figura 1.5: Paraboloide
En el transcurso de las estaciones anuales varía el ángulo de incidencia de
la radiación solar en ± 23,5º en relación con la vertical respecto al eje terrestre (Ver
figura 1.6). Todo el paraboloide también deberá inclinarse en idéntico ángulo, ya
que siempre debe mantenerse orientado hacia el sol. No obstante, el punto medio
del reflector y la posición del foco no deben moverse bajo ningún concepto. [7]
Figura 1.6: Variación del ángulo de incidencia de la radiación
10
1.4 Declaración de la problemática
Uno de los principales problemas ambientales que tiene actualmente la
tierra, junto a la fragmentación de los hábitats y la introducción de especies
exóticas, es el calentamiento climático. Una de las causas que motivan este cambio
climático es el modo de producción de la energía eléctrica.
El consumo de electricidad crece cada año de manera insostenible, por lo
que se debe centrar los principales esfuerzos en conseguir el ahorro energético, es
decir, no aumentar e incluso reducir el consumo de electricidad. Para ello hace falta
campañas institucionales fuertes y políticas orientas hacia el ahorro, ya que lo
hecho hasta ahora no es suficiente. Mientras se consigue este ahorro energético,
es también necesario mejorar la producción eléctrica y orientarla hacia medios más
sostenibles como son las energías renovables. Por ello es necesario potenciar lo
máximo posible estas formas de producción de energía, siempre dentro de unos
límites de implantación racional en términos ambientales.
La energía solar surge como una alternativa ante este problema, ya que
genera energía sin producir los contaminantes asociados a los combustibles fósiles
y a la energía nuclear, entre ellos, el más significativo es el dióxido de carbono.
Este tipo de energía es el recurso energético con mayor disponibilidad en casi todo
el territorio Peruano. En la gran mayoría de localidades del Perú, la disponibilidad
de la energía solar es bastante grande y uniforme durante todo el año, comparado
con otros países, lo que hace atractivo su uso. En términos generales, se dispone,
en promedio anual, de 160 a 210 W/m2 en la costa y selva, y de 210 a 250 W/m2
aumentando de norte a sur. Esto implica que la energía solar incidente en pocos
metros cuadrados es, en principio, suficiente para satisfacer las necesidades
energéticas de una familia. El problema es transformar esta energía en energía útil
y con un costo aceptable.
La energía del sol se puede transformar con facilidad en calor: de hecho,
cualquier cuerpo, preferentemente de color negro, absorbe la energía solar y la
transforma en calor, que puede ser usado para calentar ambientes, calentar agua,
secar diversos productos, cocinar, etc. Por otro lado, con los paneles fotovoltaicos,
se transforma la energía solar directamente en electricidad. La fabricación de los
paneles fotovoltaicos requiere alta tecnología y pocas fábricas en el mundo (en
países desarrollados) lo hacen, pero su uso es sumamente simple y apropiado para
la electrificación rural, teniendo como principal dificultad su alto costo.
11
Por otra parte, haciendo referencia a las poblaciones del sector rural
marginal que no tienen acceso a la más mínima infraestructura energética. Las
dificultades respecto al suministro de la energía se deben a varias razones entre las
cuales podemos indicar las siguientes: escasos recursos económicos, falta de vías
de acceso tanto terrestres como fluviales, lejanía de los centros de consumo,
localización geográfica, condiciones ambientales. Por estas razones, este proyecto
orienta sus potenciales conocimientos y experiencias hacia el aprovechamiento de
las energías renovables como es el caso de la solar de media y alta temperatura,
donde se puedan concebir y fabricar sistemas sencillos y de bajo costo como la
fabricación de un horno solar con aplicación al sector rural marginal.
1.5 Síntesis y consecuencias
El Perú como un país en vías de desarrollo debe buscar de cualquier forma
práctica aprovechar las energías alternativas; si bien el país tiene fuentes de
combustibles fósiles como carbón y petróleo, e incluso ricas fuentes hídricas para la
creación de hidroeléctricas, todas estas formas de generación de energía tienen un
enorme impacto sobre el medioambiente y sobre las poblaciones cercanas.
En algunos casos nuestras fuentes de energía actuales tienen efectos
positivos como la generación de empleo y de regalías, pero es un hecho que dichas
fuentes pueden terminarse, o simplemente su explotación podría implicar la
exterminación de reservas naturales, o un deterioro mayor del medio ambiente; por
lo tanto es una prioridad para el gobierno y para la sociedad en Perú informarse
acerca de las energías alternativas y de su aprovechamiento, para lograr un futuro
energéticamente claro, con cobertura total, y sobre todo de acuerdo con la nueva
visión global de un mundo limpio y libre de emisiones nocivas para el ambiente.
12
CAPÍTULO 2
TECNOLOGÍAS APLICADAS A LOS SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR
2.1 Estado del Arte
2.1.1 Presentación del asunto de estudio
En la actualidad, el aprovechamiento de la energía solar requiere de nuevas
tecnologías y de equipos de comprobación y homologación para el desarrollo de
nuevos sistemas solares, con el objetivo de mejorar la eficiencia y aprovechar al
máximo la energía del Sol, ya sea para la cocción de alimentos, secado de
productos agrícolas y hasta la generación termoeléctrica.
El Horno Solar, es un prototipo experimental de generación térmica que
aprovecha la energía solar, en la cual se puede realizar ensayos de materiales
reflectantes para en un futuro cercano desarrollar sistemas térmicos solares que
tengan utilidad en el sector rural como en el sector productivo.
Los concentradores parabólicos son la parte fundamental de los hornos
solares, estos utilizan la geometría de la parábola para poder reflejar los rayos
solares que les llegan y concentrarlos en el foco. Pero la incidencia de los rayos
solares sobre los concentradores difiere de la perpendicularidad a lo largo del día y
por lo tanto se ve reducida la eficiencia de estos sistemas. Es posible corregir esta
situación utilizando un seguidor solar que oriente los concentradores a la posición
del Sol, los cuales siguen la trayectoria aparente del Sol ocasionada por los
movimientos de la Tierra respecto al Sol.
El presente estudio muestra las tecnologías y modelos de los equipos que
actualmente se utilizan para seguir la intensidad luminosa del Sol.
2.1.2 Estado de investigación
Todos los seguidores solares incluyen mecanismos para orientar una placa
colectora de forma que ésta permanezca perpendicular a los rayos solares.
13
2.1.2.1 Sistemas de seguimiento solar aceptados por el IEEE
Como parte del estado del arte examinado en esta tesis, se encuentran los
sistemas de seguimiento solar aceptados por el IEEE, que los clasifica en:
a) Según sus grados de libertad
 Sistemas de seguimiento solar en un eje: Este tipo de sistemas es el más
usado, debido a que la máxima variación entre Sol y panel ocurre en azimut,
la variación en elevación se desprecia por considerarse de poca repercusión
en términos de energía y porque se encarecen los costos de desarrollo. Sin
embargo, la elevación se realiza en forma manual cada 6 meses, para
temporada invernal y estival, o bien se puede fijar en la mitad, para ambas
estaciones. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas pueden ser
encontrados en la literatura [8, 9, 10, 11, 12].
 Sistema de seguimiento solar en dos ejes: Este tipo de sistemas es poco
común, pueden seguir el Sol tanto en dirección como en elevación, lo que
implica tener dos actuadores, para variar la inclinación del panel en forma
horizontal y vertical. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas pueden ser
encontrados en la literatura [13].
La variación de la elevación del Sol se produce por la inclinación del eje de
rotación terrestre, de 23,5º aproximadamente con respecto al plano de la órbita que
describe alrededor del Sol y da origen a las estaciones del año. Véase figura 2.1.
Figura 2.1: Inclinación del eje de rotación terrestre 23,5º
14
Independientemente del sistema de seguimiento a utilizar, se debe tener en
cuenta, para efectos de energía captada por ángulo de elevación, la trayectoria
descrita por el sol durante el día, tanto en temporada estival como hibernal, la que
debe coincidir con la eclíptica (el movimiento aparente del Sol visto desde la Tierra).
La elevación angular solar máxima con respecto al plano terrestre, será
alcanzada en el solsticio de verano, y la mínima en el solsticio de invierno, tal como
se observa en la figura 2.2. [14]
Figura 2.2: Eclíptica del Sol en invierno y verano
b) Según el tipo de algoritmo de seguimiento
 Por programación astronómica: Este tipo de seguidor presenta una total
independencia de las condiciones climáticas, ya que su algoritmo no
requiere de sensores que indiquen cual es el punto más luminoso. El
seguimiento en este caso depende únicamente de una serie de ecuaciones
que predicen la ubicación del sol en cualquier momento. Aunque este tipo
de seguidor resulta ser de gran precisión cabe mencionar que la
implementación del algoritmo representa un alto grado de complejidad [15].
 Por la luminosidad: El algoritmo de este tipo de seguidor basa su
funcionamiento en la señal entregada por uno o varios sensores,
dependiendo de dicha señal se envía un comando de control a uno o varios
motores para que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad.
15
Este tipo de seguimiento resulta ser de fácil implementación [15]. Algunos
tipos de sensores comúnmente utilizados se mencionan en el anexo B.
c) Según actuador
 Pasivos: Son aquellos que no requieren energía del sistema de seguimiento
para desplazar los paneles, esto ocurre gracias a que el actuador y sensor
se encuentran fabricados con una aleación especial de distintos metales.
Cuando un segmento de este material es iluminado directamente por el Sol,
se contrae, mientras que el otro segmento al encontrarse en la sombra se
dilata, esto ocasiona un torque capaz de orientar los paneles y sensor, en
dirección del Sol. Al encontrarse nuevamente en oscuridad, las barras se
enfrían volviendo al equilibrio.
 Activos: Son todos aquellos que requieren energía del sistema de
seguimiento, para movilizar los paneles en dirección del Sol. En la mayoría
de los casos se utilizan motores CC, con caja reductora para aumentar el
torque [14].
2.1.2.2 Seguidores Solares disponibles en el mercado
Es difícil profundizar acerca de los seguidores solares existentes en el
mercado, ya que muchas empresas se reservan la información únicamente para
cotizaciones formales solicitadas por empresas, además los valores se encuentran
en constante variación según el valor del Euro o el Dólar; sin embargo, no se puede
dejar de mencionar a algunas empresas que ofrecen esta tecnología, mencionando
como referencia algunos precios y modelos.
MODELO CARACTERÍSTICAS ESPECIFICACIONES
TÉCNICAS
SUNTRACK 5
Precio:
No Mencionado
Es un sistema basado en micro
controlador, que ha sido diseñado
para seguimiento en dos ejes con
alta precisión. El módulo de control
es adaptable para sistemas
hidráulicos y eléctricos. Este
sistema trabaja calculando la
posición del Sol (programación
astronómica), tanto en Azimut
como en Elevación, con una
precisión de 0.01º [16].
Dimensiones: 105x103x30mm
Alimentación: 24 V (± 20%)
10 A (+10%)
Entradas digitales: 4
Salidas digitales: 4
Entrada analógica: 1(0 a 10 V)
Salidas analógicas: 2(0 a 10 V)
Entradas encoders: 6 entradas
digitales (24 V/30 mA)
Precisión: > 0.015º
16
SDK
TRACKER-KIT
Precio:
No Mencionado
SDK ha adaptado el modelo de
seguidor solar a dos ejes
TRACKER-KIT para ser utilizado
como estructura de seguimiento
para paneles solares de
concentración (CPV), con una
precisión en el seguimiento de 0.1º,
la cual busca garantizar la
captación solar óptima en la
tecnología de concentración [17].
Potencia del seguidor: 15 kW
Movimiento en 2 ejes: 2
actuadores lineales y 1 motor
reductor planetario (2 motores
eléctricos)
Rotación en eje horizontal
(Elevación): De 0º a 70º
Rotación en eje vertical
(Azimut): De 0º a 240º
Altura (máxima): 4.50 m
Ancho (máximo): 14.50 m
MECASOLAR
MS-2 TRACKER
10
Precio:
No Mencionado
Es un equipo electromecánico que
en su parte superior lleva fijados
los módulos fotovoltaicos y que
consigue que la insolación sobre
los mismos sea máxima; toda esta
estructura se mueve de Este a
Oeste sobre un eje que puede girar
240º (seguimiento acimutal) y un
segundo eje con movimiento de
inclinación desde los 60º hasta la
posición horizontal. [18]
Ejes de Seguimiento: 2 EJES:
Horizontal y Vertical
Potencia admitida en
Seguidor: Hasta 12 kW Ángulo
Giro:
Eje Vertical: 240º
(-120º a +120º)
Eje Horizontal: 60º
Altura: 3.3m
Tecnología de Seguimiento:
Programación astronómica del
PLC
BIO-SOL
BIO 1
*Precio: S/.11,730
Seguidor solar de 2 ejes, fácil de
programar y cambiar los
parámetros.
Robusto, sencillo y de fácil manejo
e instalación.
El seguidor también lleva control
del viento mediante un
anemómetro que es controlado por
el propio autómata [19].
Ejes de Seguimiento: 2 EJES:
Horizontal y Vertical
Potencia admitida en
Seguidor: Hasta 1.56 kW
Altura: 3m
Tecnología de Seguimiento:
Programación astronómica
LORENTZ
ETATRACK
ACTIVE
1500 – A
*Precio: S/.10,746
Los sistemas de seguimiento
activos LORENTZ ETATRACK
proporcionan aumentos de
rendimiento de hasta un 40 % de
los módulos fotovoltaicos.
Los sistemas ETATRACK siguen al
sol durante el día, lo que supone un
aumento del tiempo con mayores
niveles de potencia útil entregada y
la obtención de potencia pico
máxima [20].
Ejes de Seguimiento:
1 eje único
Potencia admitida en
Seguidor: Hasta 2.9 kW
Segundo eje de regulación
manual paso a paso: 0 - 45 °
Seguimiento de ángulo de
Este - Oeste: 90 °
Tecnología de Seguimiento:
Programación astronómica
*Tipo de cambio a la fecha: 1€ = S/ 3.45
17
2.2 Conceptualizaciones Generales
Sensor
[21] Definición
Un sensor es un dispositivo capaz de medir
magnitudes físicas o químicas, llamadas
variables de instrumentación, y transformarlas
en variables eléctricas. Las variables de
instrumentación pueden ser por ejemplo:
temperatura, intensidad lumínica, distancia,
aceleración, inclinación, desplazamiento,
presión, fuerza, humedad, etc.
Encoder
[21]
Definición
Los Encoders son sensores que generan
señales digitales en respuesta al movimiento.
Están disponibles en dos tipos, uno que
responde a la rotación, y el otro al movimiento
lineal. Cuando son usados en conjunto con
dispositivos mecánicos tales como engranes,
ruedas de medición o flechas de motores, estos
pueden ser utilizados para medir movimientos
lineales, velocidad y posición.
Encoders
incrementales
Los encoders incrementales suministran un
número específico de impulsos por cada
revolución completa del eje. Esta cuenta de
impulsos está determinada por el número de
divisiones o segmentos del disco de
codificación. Ej. El disco de codificación consta
de 360 segmentos, por lo tanto por revolución
del eje, se obtendrán 360 impulsos. Es decir, un
impulso por grado angular.
Encoders
Absolutos
A diferencia de los encoders incrementales, los
del tipo absoluto proporcionan una combinación
única de señales para cada posición física. Esto
resulta una ventaja importante, ya que no es
necesario un contador para la determinación de
la posición. La combinación de señales se
establece mediante un patrón de código de
sectores transparentes y opacos en varias
pistas de un disco rotativo.
Micro
controlador
[22]
Definición
Es un circuito integrado (chip) que sirve para el
control de diferentes tareas asignadas. Cuenta
con un CPU, también con memoria no volátil
para almacenar programas, memoria RAM,
interfaces de entrada/salida y algunos
periféricos. Son programados con el lenguaje
ensamblador.
18
Lenguaje de
Programación
[23]
Definición
Es un lenguaje que se utiliza para controlar el
comportamiento de las maquinas, en su
mayoría computadoras. Se basa en el uso de
una simbología regida por una serie de normas
sintácticas y semánticas que determinan el
significado y función de los elementos
expresados mediante los símbolos.
Lenguaje
ensamblador
Es un lenguaje de programación que está entre
lenguaje máquina y el lenguaje de alto nivel; y
se utiliza para programar microcontroladores.
Se necesita de un ensamblador que traducirá
cada sentencia a una instrucción de máquina.
Los comandos y sentencias lenguaje
ensamblador variará con respecto al
microcontrolador en uso.
Visual C++
El lenguaje C++ es un lenguaje de alto nivel e
interactivo. Tiene bases en el lenguaje C. Tiene
la capacidad de desarrollar interfaces gráficas
para la interacción entre el usuario y algún
dispositivo externo que requiera ser
monitoreado mediante la computadora.
2.3 Modelo Teórico
Los recursos energéticos con los que cuentan las naciones, son uno de los
factores más importantes para el adelanto tecnológico de estas, y el avance en la
tecnología determina la utilización de estos recursos.
El hombre utiliza los recursos energéticos para satisfacer algunas de sus
necesidades básicas en forma de calor y trabajo. El calor es necesario para
incontables aplicaciones, como la climatización del espacio, cocción de alimentos,
trasformación y producción de componentes químicos.
Teniendo en cuenta lo expuesto, el horno solar es una buena alternativa para
aprovecharla adecuadamente en el progreso del país y en el mejoramiento de la vida
de sus habitantes. Existe la apremiante necesidad de multiplicar los esfuerzos y
recursos dedicados a su investigación y desarrollo tecnológico, a fin de poder satisfacer
las necesidades energéticas de las comunidades urbanas y rurales.
Este trabajo contribuirá a reducir el impacto ambiental, ya que se utiliza una
fuente renovable de energía, con la que se disminuirá la contaminación del
ambiente que se produce con el uso de combustibles fósiles.
19
En la figura 2.3 se ilustra la representación gráfica del modelo teórico.
HORNO SOLAR
Figura 2.3: Representación gráfica del Modelo Teórico
Menor
Costo
Cobertura
Medio
Ambiente
Mejor calidad
de vida
Salva cerca de una
tonelada de madera
al año y no
contamina el medio
ambiente [24]
Cocinar con energía
solar es limpio y
beneficia a la salud
de todos los
miembros de la
familia [24]
Abastecimiento a una
mayor cantidad de
zonas rurales [24]
Reducen la necesidad
de combustible y pagan
su precio con el ahorro
en combustible de dos
meses [24]
20
2.4 Objetivos
2.4.1 Objetivos General
Esta tesis tiene como objetivo principal diseñar e implementar un seguidor
solar para el control electrónico, basado en microprocesador, de un reflector
parabólico tipo Scheffler. Este reflector solar, que ya fue construido por el GRUPO
PUCP, tiene como finalidad poder cocinar con la energía del Sol en zonas rurales
de la manera más cómoda, barata y eficiente posible.
2.4.2 Objetivos Específicos
 Analizar la información necesaria relacionada con el tema en estudio y
utilizar los conceptos teóricos y prácticos que se requieran para su
desarrollo.
 Seleccionar el método para el seguimiento solar.
 Diseñar el circuito de control, basado en microprocesador, que se encargue
de generar las señales de control necesarias que requiere el actuador para
mover al reflector y poder seguir al sol.
 El sistema de seguimiento solar debe ser válido para cualquier zona del
Perú.
 Realizar pruebas al sistema una vez finalizado y documentar los resultados
para verificar su funcionamiento.
21
CAPÍTULO 3
DISEÑO DEL SEGUIDOR SOLAR
3.1 Antecedentes
El Reflector Solar Scheffler, construido por el Grupo PUCP, posee 2 ejes: el
eje de elevación que es fijo, y el eje de recorrido que ocurre en un sólo eje. Se
establecieron 3 inclinaciones para el eje de elevación, las que se pueden utilizar
durante el año; dos para ambos solsticios y una para el equinoccio, de esta forma
se realiza el seguimiento en azimut, quedando el reflector normal al Sol durante
dicho seguimiento. Véase la figura 3.1.
Figura 3.1: Eje de elevación del reflector, 3 elevaciones durante el año
Dado que los conceptos grado de libertad y actuador se encuentran
relacionados con la estructura mecánica propiamente tal (Figura 3.2), en el
prototipo los esfuerzos realizados se centraron en definir el método y lógica para el
control electrónico del seguimiento solar a emplear.
22
Figura 3.2: Estructura mecánica del reflector
3.2 Definición del método
Luego de lo revisado y analizado en el estado del arte se realizó el diseño y
construcción de un prototipo que permitiera validar la solución escogida.
Enmarcados dentro de las soluciones existentes y clasificadas por el IEEE, se tomó
la decisión de confeccionar un seguidor solar de las siguientes características:
♦ Según sus grados de libertad: Sistema de seguimiento en un eje
♦ Según el control: Control por programación astronómica.
♦ Según actuador: Actuador activo
El método para realizar el seguimiento se basa en el tiempo, independiente
de la hora en la cual amanece o atardece, la transición del día y noche ocurre en 24
horas, el planeta Tierra gira 360º sobre su eje, por lo tanto, 360º/24h = 15º, lo que
corresponde a un uso horario, es decir, visto desde el plano terrestre el Sol se
mueve 15º cada hora. El control debe contemplar mover el reflector 15º cada hora
dentro de 180º (que corresponden al día, ya que los otros 180º de la Tierra se
encuentran de noche), pero en la práctica el recorrido ocurre en un ángulo menor o
igual a 160º, correspondiente a las horas de luz disponible por el relieve geográfico.
Para inicializar este tipo de sistemas, se debe conocer alguna hora en la cual el Sol
se encuentre en un ángulo determinado, esto se puede lograr consultando tablas
solares o haciendo el cálculo de la posición solar.
De esta manera, se alinea el reflector con el Sol y a partir de aquel momento
comienza la cuenta, el sistema mueve el reflector 15º cada hora, hasta llegar al
límite Este o al límite Oeste según corresponda, para finalmente volver a la posición
de origen, hasta que comience un nuevo día, en el cual se repite el ciclo.
Eje de Elevación
Manual (Ajuste
Estacional)
Eje de Recorrido
23
3.3 Diagrama del sistema de control de posición
A continuación se ilustra el diagrama conceptual del sistema de control de
posición en la figura 3.3.
Figura 3.3: Diagrama conceptual del sistema de control de posición
Se determinaron tres componentes principales:
1. Un microcontrolador.
2. Un reloj en tiempo real que alimente al microcontrolador con datos de fecha
y hora confiables.
3. Un Driver (Puente H) para el accionamiento del actuador.
En la figura 3.4 se muestra el diagrama de bloques de interconexión física
de los componentes del controlador.
Pulsos del sensor de avance del actuador
Figura 3.4: Diagrama de bloques de interconexión física
Al seleccionar el reloj se buscó que cuente con alimentación propia, para
que en caso de que el sistema se quede sin energía no se pierda los datos
DRIVER ACTUADOR
ENCODER
CALCULA
POSICION
Posición
ReflectorHora
Posición
Deseada
+
-
Batería
(12V)
Micro
controlador
Reloj
(RTC)
Driver
(Puente H)
Encoder
Actuador
(Motor DC)
Reflector Solar
Scheffler
Batería
de Litio
24
contenidos en él. Se utilizó un encoder para medir la inclinación del reflector y poder
posicionarlo donde se necesita según la hora, los demás elementos del hardware
sólo son para el funcionamiento de los componentes principales y los valores se
tomaron directamente de las hojas de datos de acuerdo a la configuración como era
necesario utilizarlos.
3.4 Cálculo de la posición solar
A continuación se describen conceptos básicos, mediante los cuales se
determinará la posición del Sol en cualquier instante de tiempo y en cualquier día.
Altura ( ): Es el ángulo medio entre el horizonte y la posición del Sol sobre el
horizonte (también es llamado ángulo de elevación). Se calcula por medio de la
siguiente ecuación 3.1.
 1 _ _ _Sen Cos Cos Cos Sen Sen       ……………………………………(3.1)
Ángulo Cenital (Z): Es el arco complementario a la altura, es decir la distancia de
un astro al zenit, y está dada por la ecuación 3.2.
90Z   ……………………………………………………………………………. (3.2)
Azimut ( ): El azimut solar es el ángulo sobre la proyección del Sol sobre el
horizonte y el sur midiéndose con valores negativos hacia el este y con valores
positivos hacia el oeste. Se calcula con la siguiente ecuación 3.3.
1 _Cos SenSen Cos
  
      .……………………………………………………….......(3.3)
Ángulo horario ( ): Está formado entre la posición del Sol a la hora considerada y
su posición al mediodía, medido sobre el círculo de su órbita. El Sol recorre 15º a la
hora (360º en 24 horas), y se mide a partir del mediodía (12:00 hora solar local),
con ángulos negativos antes del mediodía y positivos después del mediodía.
Latitud ( ): Es el arco que existe entre el paralelo que pasa por el lugar y el
ecuador.
Declinación ( ): Es el ángulo formado por el plano del ecuador y el plano de la
órbita terrestre, debido a la inclinación del eje de la Tierra. Está dada por la
25
ecuación 3.4 donde “d” es el día del año en estudio, tomando en cuenta que el año
tiene solamente 365 días, y febrero solamente 28 días.
28423.45 360 36_ 5
dSen      ………………………………………………………....(3.4)
Donde d es el día de estudio del año en curso. [25]
Hora de salida del Sol (Tss): Se calcula por medio de la ecuación 3.5.
= 12 − …….……………………………………………………………..........(3.5)
Hora de puesta del Sol (Tps): Se calcula por medio de la ecuación 3.6, donde
está definida por la ecuación 3.7.
= 12 + ……………………………………………….………………….…….(3.6)
Donde ω = arcos (−tan δ ∗ tan Φ)………….…………………………...…(3.7)
Para un observador, ubicado en un plano horizontal, podemos definir la
posición del sol por dos variables: la altura solar y el azimut. Véase la figura 3.5.
Figura 3.5: Posición del sol
26
3.5 Diseño del sistema de control
El seguimiento del sol se realiza por control de lazo abierto o por
programación astronómica, y la única parte que se encuentra retroalimentada o por
control de lazo cerrado, es aquella que sirve para controlar el motor CC; la
retroalimentación se realiza a través del encoder, dispositivo que mide la posición
actual del reflector. Este dispositivo, se encuentra en el circuito de control el que a
su vez es solidario al reflector.
Con respecto al circuito del seguidor propiamente tal: el microcontrolador
recibe información dada por el usuario, el cual entrega la fecha, hora y latitud del
lugar, luego el microcontrolador actualiza la hora del reloj de tiempo real (RTC). Con
la información obtenida se procede a realizar el cálculo de la posición solar y la hora
de salida del sol, para comenzar el seguimiento. El microcontrolador lee la posición
del Reflector y verifica si corresponde con la hora del RTC, en caso de
corresponder espera 20 minutos y vuelve a comprobar lo anterior. En caso contrario
el actuador mueve el reflector de Este a Oeste por un par de segundos hasta que la
posición del panel coincida con el sol (según la hora entregada por el RTC), en ese
instante se detiene el actuador y se repite el ciclo cada 20 minutos.
Cabe mencionar que el sistema sólo seguirá al sol de Este a Oeste, una vez
de noche el sistema moverá los paneles de Oeste a Este hasta la posición de inicio,
para un nuevo seguimiento a partir del amanecer. No obstante, si se trata de la
primera vez que el sistema en conjunto ha sido instalado, se podría mover de Oeste
a Este durante el día, para quedar alineado con el sol; esto sólo ocurrirá una vez, a
partir de aquel instante el seguimiento se realiza únicamente en sentido Este Oeste.
Como el movimiento de traslación del planeta tierra ocurre en 360º cada
24hr, se establece que 360º / 24hr = 15º / hr, que es lo que recorre el sol en una
hora, visto desde el plano terrestre. Sin embargo, la tolerancia del panel es de ±5º,
entonces el motor CC del actuador, mueve los paneles 5º cada 20 minutos, hasta
alcanzar los 150º que es el término del eje de recorrido o límite Oeste. Una vez ahí
el reloj (RTC), espera hasta las 20:00hrs para aprovechar al máximo la luminosidad
circundante antes del ocaso y luego ordena que el sistema vuelva al estado de
inicio o límite Este, para repetir el ciclo a partir del amanecer del día siguiente.
Su funcionamiento básico se puede analizar en el diagrama de flujo
presentado en la figura 3.6. El programa de control se muestra en el anexo C.
27
Figura 3.6: Diagrama de flujo
Configuración del
Microcontrolador
Ingreso de datos
del usuario
SI
NO
RTC>=20hrs
Actualiza RTC
Lee hora RTC y
calcula Corrección
Horaria
Lee posición del reflector
Posición
corresponde a hora
Se debe mover al
Oeste
Driver ON
FW Oeste
DELAY
Driver ON
RW Este
Driver OFF
ESPERA
20 min.
Posición
reflector
>= límite E
Driver ON
RW Este
Lee posición
del reflector
Driver OFF
ESPERA
8 horas
1
SI
NO
SI
NO
SI
NO
1
INICIO
28
3.6 Diseño electrónico
3.6.1 Esquemático
Tal como se puede apreciar en la figura 3.7, y siguiendo la lógica presentada
en el diagrama de flujo, se elaboró el esquemático compuesto principalmente por
semiconductores, dentro de los cuales destacan de manera general un
microcontrolador, un Reloj de tiempo real (RTC), un encoder, y un driver para
controlar el motor CC.
Figura 3.7: Diagrama esquemático del hardware de control
29
3.6.2 Partes del circuito
En esta sección se va a explicar detenidamente cada parte del circuito.
3.6.2.1 Conexionado del microcontrolador
El microcontrolador PIC16F877, constituye el corazón del circuito, en el se
encuentra el programa principal almacenado. Este integrado está programado con una
secuencia de datos para controlar el funcionamiento del motor, el cual es coordinado
en función de las coordenadas recibidas. En la figura 3.8 se muestra la configuración
de los pines del microcontrolador PIC16F877.
Figura 3.8: Configuración de los pines del PIC16F877
En el circuito diseñado, los pines del microcontrolador se han conectado de la
siguiente manera:
 MCLR (Pin 1): Circuito de Reset externo
 RA2 y RA3 (Pines 4 y 5): Circuito del Encoder
 OSC1 y OSC2 (Pines 13 y 14): Circuito del oscilador de frecuencia
(oscilador del microcontrolador)
 CCP2 y CCP1 (Pines 16 y 17): Circuito del motor
 RA4, RC3 y RC4 (Pines 6, 18 y 23): Circuito del reloj en tiempo real
 VDD  y VSS  (Pines 11 y 12, 32 y 31): Tensión y tierra
30
3.6.2.2 Circuito de Reset externo
El terminal MCLR (Master Clear) debe estar en valor lógico alto para que el
dispositivo funcione normalmente, esto es, sin irse a reinicio. Con un valor lógico
bajo el dispositivo se reinicia, comenzando la ejecución desde el principio del
programa que tenga cargado en memoria.
Lo más práctico, para facilitar el hecho de poder realizar un reinicio manual,
es utilizar un pulsador (pulsador de reinicio), similar al que se puede encontrar en la
mayoría de ordenadores. El fabricante recomienda que se coloque una resistencia
de 50 a 100 ohmios entre el pulsador y la patita MCLR, para evitar posibles
corrientes inducidas de más de 80 mA que podrían bloquear el dispositivo cuando
este se lleva a masa (reinicio).
En la figura 3.9 se muestra la configuración del circuito de reset externo.
Figura 3.9: Reset externo
3.6.2.3 Conexionado del Encoder
El encoder que se va usar para el desarrollo de este proyecto, es uno de tipo
incremental de 2 canales (A y B) desfasados 90º. El canal A nos va a servir para
contar el número de pulsos y conocer la posición angular del reflector. Para
determinar el ángulo girado por el encoder se cuenta el número de flancos de
subida (o de bajada) generados por el canal A. El canal B se usa para determinar la
dirección de giro en cada pulso, de tal forma que si esta a 0 determinamos que va
en una dirección y si es 1 ira en la dirección contraria.
31
A continuación, se muestra en la figura 3.10 el conexionado del encoder.
Figura 3.10: Conexionado del encoder
3.6.2.4 Circuito del oscilador de frecuencia
Todo microcontrolador necesita un circuito que le indique a qué velocidad va
a trabajar; este circuito es el oscilador de frecuencia. Se ha elegido un cristal de
12MHz y se trabajará en modo HS. La condición básica para que el oscilador
funcione es que los condensadores sean de igual valor, por lo tanto se han elegido
dos condensadores de 15 pF como se observa en el figura 3.11.
Figura 3.11: Circuito del oscilador de frecuencia
3.6.2.5 Circuito del reloj en tiempo real
El RTC (Real Time Clock) o Reloj en Tiempo Real, es un integrado de muy
baja potencia de consumo, con código binario decimal (BCD) de reloj / calendario.
El reloj / calendario provee información de segundos, minutos, horas, día, fecha,
mes y año. En el fin de mes, la fecha se ajusta automáticamente. Durante meses
con menos de 31 días, se incluyen las correcciones para año bisiesto. El reloj
funciona en formato de 24 horas o en formato de 12 horas con indicador AM / PM.
También incorpora un circuito de sensor de tensión que detecta fallas de energía y
cambia automáticamente al suministro de batería de respaldo. Su utilización en el
seguidor solar, será para conocer la hora, y de esta manera poder calcular la
posición en la cual se encuentra el sol.
El circuito típico de operación del DS1307, se muestra en la figura 3.12.
32
Figura 3.12: Circuito típico de operación del DS1307
Como se puede observar sólo se necesitan 3 cables para que el reloj se
comunique con el PIC: SDA, SCL y SQW/OUT. En la figura 3.13 se muestra la
configuración de pines del DS1307.
Figura 3.13: Configuración de pines del DS1307
El RTC se comunica con el microcontrolador por SDA, que está conectado al
pin 23 (RC4) del PIC. El pin SCL se utiliza para sincronizar los movimientos de datos
en la interfaz reloj-microcontrolador, está conectada al pin 18 (RC3) del PIC. El pin
SQW/OUT está conectado al pin 6 (RA4) del PIC, este pin tiene una resistencia de
40kΩ conectada a tierra.  Para que el RTC funcione correctamente, es necesario
conectar entre los pines X1 y X2 un cristal externo de 32,768KHz. La descripción de
los pines del DS1307 se da en la Tabla 3.1.
Pin Puerto Descripción
1,2 X1,X2 Conexión para cristal estándar de cuarzo de 32.768 KHz
3 VBAT Entrada para la batería de respaldo, debe ser batería de litio de 3V. Sino se requiere, este pin debe estar conectado a tierra.
4 GND Tierra
5 SDA Serial Data Input/Output. Es la entrada/salida de la interface serialI2C.
6 SCL Serial Clock Input. Es la entrada para la señal de reloj de la interfaceserial I2C.
7 SWQ/OUT Cuando se habilita el bit SQWE, se puede obtener una onda cuadradade este pin, con una frecuencia de 1Hz, 4, 8, 32kHz.
8 VCC Voltaje de alimentación primario.
Tabla 3.1: Pines del DS1307 y su descripción
33
El circuito del reloj en tiempo real (RTC), se muestra en la figura 3.14.
Figura 3.14: Circuito del reloj en tiempo real
3.6.2.6 Conexionado de la Memoria EEPROM
La memoria EEPROM (Electrically Erasable programmable Read-Only
Memory) es una memoria no volátil y eléctricamente borrable a nivel de bytes. Las
memorias de este tipo tienen como principal cualidad el permitir borrar y escribir la
información eléctricamente. Para el presente trabajo se ha elegido la memoria
serial 24LC512 de Microchip, mostrada en la figura 3.15, que tiene una capacidad
de 64 KBytes o 512 Bytes, y soporta comunicación I2C.
Figura 3.15: Memoria EEPROM 24LC512
La EEPROM tiene ocho pines, los cuales se señalan en la Tabla 3.2.
Nombre Pin Función
A0 Direccionamiento
A1 Direccionamiento
A2 Alimentación
GND Tierra
SDA Datos serial
SCL Sincronización
WP Bloqueo escritura
Vcc +2,5V a +5,5V
Tabla 3.2: Pines de la memoria serial EEPROM 24LC512 y su función
34
La memoria estará encargada de almacenar los datos de la trayectoria solar
previamente realizados para calcular la posición del Sol por medio de la fecha y la
hora. Esta no interfiere en el proceso hasta recibir alguna orden para ejecutarse.
En la figura 3.16, se muestra el circuito de la memoria EEPROM.
Figura 3.16: Circuito de la Memoria EEPROM
3.6.2.7 Circuito para el Display de Cristal Líquido (LCD)
El LCD se utiliza para mostrar en pantalla el menú que permitirá configurar
al seguidor solar, podemos utilizar el LCD en modo de 4 bits. Para ello, se requiere
sólo cuatro líneas de datos para conectarse a los cuatro pines de los puertos del
PIC y tres señales de control para controlar el flujo de datos y visualización.
En este caso se eligió un LCD alfanumérico LM016L con back light que tiene
16 pines cuya función se describe en la tabla 3.3:
Pin Puerto Función
1 GND Tierra
2 VCC Alimentación
3 VEE Contraste
4 RS Selección de registro (Datos/Comandos)
5 R/W Lectura/Escritura
6 E Activación
7-13 D0-D6 Dato 0 a Dato 6
14 D7 Dato 7 o (BUSY FLAG)
15 LEDA Positivo retroiluminación
16 LEDK Negativo retroiluminación
Tabla 3.3: Descripción de los Pines del LCD LM016L
35
El esquema del circuito del LCD, se muestra en la figura 3.17.
Figura 3.17: Circuito del LCD
Como puede apreciarse el control de contraste se realiza al dividir la
alimentación de 5 V con una resistencia variable de 10 K. Las líneas de datos son
triestado, esto indica que cuando el LCD no está habilitado, sus entradas y salidas
pasan a alta impedancia.
3.6.2.8 Circuito para el Teclado matricial de 4x4 teclas
El teclado matricial es un dispositivo de 16 teclas configurado con una matriz
filas-columnas, con la intención de reducir el número de líneas de entradas y
salidas necesarias para controlarlo con el microcontrolador. En un teclado no
matricial cada tecla necesita una línea de entrada, con lo cual representa una
cantidad mayor de líneas de I/O del microcontrolador. Para controlar el teclado, los
puertos del microcontrolador correspondientes a las filas se programan como
salidas y los conectados a las columnas del teclado se programan como entradas.
De tal forma que el objetivo principal del algoritmo para decodificar el teclado
consiste en determinar la fila y columna que corresponde a la tecla que se presionó.
Lo anterior se logra rotando un valor lógico (ya sea 1 o 0) en cada una de las líneas
configuradas como salidas (filas en este caso) e inmediatamente después leer el
estado lógico de las líneas conectadas como entrada (columnas).
Cuando el valor lógico que se rota es un 1 al algoritmo se le denomina
walking ones y walking zeros cuando se trata de un 0.
A continuación, se muestra en la figura 3.18 el esquema de conexionado del
teclado matricial.
36
Figura 3.18: Esquema de conexionado del teclado
En la figura se ve el esquema de conexionado interno del teclado matricial y
sus correspondientes pines de salida. Cuando se presiona un pulsador se conecta
una fila con una columna, teniendo en cuenta este hecho es muy fácil averiguar que
tecla fue pulsada. Las resistencias son necesarias para poder compartir el puerto
del PIC independientemente del teclado, como por ejemplo poder conectar un LCD
o un arreglo de LEDs al mismo tiempo.
En la figura 3.19 se muestra la conexión entre el terminal del teclado
matricial y los pines del microcontrolador.
Figura 3.19: Conexión del teclado matricial con el PIC
3.6.2.9 Circuito de Alimentación
Como se ve en la figura 3.20, se usa un regulador de tensión LM7805, cuya
tensión de salida son 5v. Este integrado necesita un condensador de pequeño valor
100nF en la entrada y en la salida, además se añade un condensador más grande
de 470 μF para estabilizar la tensión en la salida del circuito. El diodo D1 se utiliza
para evitar que el LM7805 se polarice en inversa y pueda sufrir algún daño.
37
Figura 3.20: Configuración típica del 7805
Entre X2-1 y X2-2 se conecta la batería de 12V.
3.6.2.10 Etapa de potencia
Esta etapa es necesaria ya que el motor no puede estar conectado
directamente a la salida del microcontrolador, porque las salidas de éste no tienen
suficiente potencia para mover el motor. La corriente máxima que puede pasar por
cualquier pin de entrada o de salida del microcontrolador es de 25 mA. Por otra
parte, el motor necesita unos cientos de miliamperios para moverse.
Para solucionar esto, se utilizan etapas de potencia formadas por MOSFET
de potencia. Se utilizan MOSFETS en vez de transistores ya que los primeros
presentan importantes mejoras en la eficiencia del puente (necesitan menores
intensidades de señal y tienen menores caídas de tensión). Los MOSFETs trabajan
mediante la aplicación de un voltaje en la Compuerta o Gate. Existen en dos tipos:
N-Chanel (canal negativo – Q3 y Q5) y P-Chanel (canal positivo – Q2 y Q4). En el
primer caso pasan a modo conducción (activado) mediante un voltaje positivo en la
Compuerta y mediante un voltaje negativo para el segundo caso. La razón de
utilizar dos canales P en la parte superior, en vez de utilizar canal N, es que para
poder conmutar un canal N en la parte superior sería necesario un voltaje mayor al
de la alimentación del circuito en la compuerta para lograr la conmutación. Con
utilizar dos MOSFET canal P en la parte superior, permite poder conmutar el
circuito sin necesidad de un voltaje mayor a la alimentación, lo cual resulta en
menos espacio físico.
En la figura 3.21 se muestra el esquema eléctrico del puente H, donde D1 a
D4 desvían los picos de tensión negativa provocados por los motores evitando que
afecten a los transistores, mientras que Q1 y Q6 son transistores NPN que
controlan el accionamiento del motor DC.
38
Figura 3.21: Esquema eléctrico del puente H
A continuación se explica los tres modos de funcionamiento del puente de
MOSFETS.
Modo PARAR:
Cuando A=0 y B=0, el motor para.
Q1 y Q6 pasan a estado de corte y también lo hacen los MOSFET Q2 y Q4 mediante
R3 y R4 respectivamente. Por lo que no hay circulación de corriente a través del motor.
Modo ATRAS:
Cuando A=0 y B=1 (+5V), el motor girará hacia atrás.
Q1 y Q2 estarán en corte. Q6 se saturará a través de R2 lo cual enviará la
compuerta de Q4 a masa saturándolo. El terminal (-) del motor se conectará a +12v
a través de Q4 y a la vez que Q3 se saturará a través de R5. De esta forma el
terminal (+) del motor se conectará a masa a través de Q3 lo cual a su vez manda
al corte Q5 evitando un corto circuito.
Modo ADELANTE:
Cuando A=1 y B=0, el motor girará hacia adelante.
Q6 y Q4 estarán al corte. Q1 se saturará a través de R1 lo cual enviará la
compuerta de Q2 a masa saturándolo. El terminal (+) del motor se conectará a +12v
a través de Q2 y a la vez Q5 se saturará a través de R7. De esta forma el terminal
(-) del motor se conectará a masa a través de Q5 lo cual a su vez manda al corte
Q3 evitando un corto circuito.
39
Modo NO PERMITIDO
Si A =1 y B =1 entonces todos los MOSFETs serán activados o saturados lo
cual provocará que toda la corriente de la fuente de alimentación pase a través de
ellos destruyéndolos.
El LED tricolor permitirá probar el circuito sin necesidad de conectar el
motor; se pondrá verde en una dirección y rojo en otra.
Los motores eléctricos producen una gran cantidad de ruido debido a las
escobillas o carbones, también producen picos de tensión al parar y más
especialmente al cambiar de dirección. Mediante C1 y C2 se trata de suprimir al
máximo los picos de ruido, y picos negativos son suprimidos mediante D1, D2, D3 y
D4. Mediante Z1 se mantienen limitados los picos positivos a no más de 15 v. Es
recomendable mantener la fuente de alimentación del motor separada de la
alimentación de la parte electrónica o lógica; de lo contrario, se deberán tomar severas
medias para el filtrado de los ruidos para evitar inconvenientes no deseados.
3.7 Desarrollo del programa
La parte de programación es la parte más crucial en este proyecto. Hay tres
tipos de lenguaje de programación que son familiares; el lenguaje pascal, el
lenguaje C y el lenguaje ensamblador. Se ha seleccionado el lenguaje pascal para
la programación del microcontrolador, porque es más fácil y rápido de aprender en
comparación con el lenguaje ensamblador. Para la programación en pascal, se
eligió el programa MikroPascal ya que tiene todo lo necesario para programar en
microcontroladores PIC.
3.7.1 MikroPascal para PIC
Si queremos realizar la programación de los microcontroladores PIC en un
lenguaje pascal, es preciso utilizar un compilador de pascal. MikroPascal PRO para
PIC es un compilador PASCAL con todas las características para microcontroladores
PIC de Microchip, el cual está diseñado para desarrollar, construir y depurar
aplicaciones embebidas basadas en PIC, además de contar con un entorno de
desarrollo (IDE) muy cómodo.
Este compilador "traduce" el código pascal del archivo fuente (.mpas) a
lenguaje máquina para los microcontroladores PIC, generando así un archivo en
formato hexadecimal (.HEX).
El programa desarrollado en este proyecto se muestra en el anexo C.
40
CAPÍTULO 4
PRUEBAS FINALES Y COMPARACIÓN DE RESULTADOS
4.1 Consideraciones preliminares
El presente estudio estuvo enfocado en diseñar y construir un circuito de
seguimiento solar, basado en un microcontrolador PIC, a bajo costo y de fácil uso.
Este circuito será instalado en un reflector Scheffler de 2,7 m2 de superficie, tal
como se observa en la figura 4.1, el cual tiene una potencia térmica entre 600 y 800
W. El uso primario de este sistema es el de cocinar con la energía del sol, pero
también podrán ser investigadas otras aplicaciones.
Figura 4.1: Reflector Scheffler de 2,7m2
4.2 Pruebas del sistema
Las pruebas para verificar el correcto funcionamiento del circuito de control
del seguidor solar mostrado en la figura 4.2 y su algoritmo, tuvieron como fin medir
la eficacia del seguimiento aun en días sin presencia del sol. Estas pruebas se
realizaron usando el reflector solar que se encuentra ubicado en la Casa Ecológica
de la Universidad Católica del Perú.
41
Figura 4.2: Circuito de control del seguidor solar
A continuación se muestra en la figura 4.3 la instalación del circuito de
control al reflector solar Scheffler.
Figura 4.3: Instalación del circuito de control
El circuito de control cuenta con una pantalla LCD y un menú principal para
poder configurar la hora, fecha, longitud y latitud del lugar, así como la diferencia
horaria de acuerdo a la zona correspondiente.
En la figura 4.4 se muestra la pantalla principal del circuito de control, donde
se observa la hora actual, la hora de inicio de salida del sol (hi) y la hora de puesta
del sol (hf). También se observa la hora de actualización del panel (hn) a la cual
este se moverá para quedar alineado con el sol.
42
Figura 4.4: Pantalla principal del circuito de control
Para poder realizar la prueba de eficacia en el seguimiento, se colocó una
olla con un 1 litro de agua, la cual debía hervir para comprobar que durante este
tiempo la luz reflejada por esta sección del paraboloide incidía lateralmente en el
foco.
Como se observa en la figura 4.5, la luz reflejada se encuentra en el foco, lo
que comprueba que el sistema se mueve de manera sincronizada con el sol
durante el día, cumpliendo de esta manera con el objetivo de seguir al sol.
Figura 4.5: Luz reflejada en el foco
4.2.1 Problemas encontrados durante la etapa de pruebas
Luego de realizar pruebas con el prototipo se encontraron algunos
problemas que fueron solucionados y considerados en la versión final.
43
4.2.1.1 Problema con el límite de fin de carrera
El actuador (Motor DC) tiene un recorrido limitado por un punto de inicio y
otro de término, que equivale a 150º del eje de recorrido, ya que el eje de rotación
del reflector se ve limitada por la estructura misma. Se debe saber respetar dichas
demarcaciones, de lo contrario si el actuador sobrepasa aquellos límites, la
estructura podría dañarse, ya que se someterá a fuerzas que superan sus
propiedades físicas y mecánicas. Para evitar esto en un principio se utilizaba el
encoder que permite controlar la posición del reflector, y por lo tanto, mantener el
eje de recorrido dentro de los 150º sin traspasar los umbrales críticos. Sin embargo,
bajo ciertas condiciones de viento intenso la respuesta del encoder llegó con un
pequeño error, el cual permitió que el actuador alcance distancias que estaban más
allá del término de carrera, tanto para el origen y fin del recorrido.
Esta situación fue solucionada, agregando dos interruptores en los límites,
los que cortan el suministro eléctrico en el motor CC, antes del límite máximo al que
debe llegar el actuador, para ambos sentidos del recorrido, independiente de las
condiciones de viento que puedan existir.
4.3 Análisis de Resultados
El análisis de los resultados constituye uno de los pasos más importantes de
este trabajo de titulación, pues de aquí emanan las conclusiones correspondientes,
verificando la teoría con datos reales, dando cumplimiento a los objetivos y
proporcionando información útil para futuras inquietudes en esta materia.
Durante la evaluación de dicho seguidor solar se pudo constatar que el
viento puede llevar a un estado de inestabilidad al mecanismo de giro, esto no se
tuvo en cuenta al momento del diseño y su construcción, pero deja abierto un tema
a discutir en sistemas de seguimiento solar con control realimentado. La fuerza del
viento (como variable perturbadora) debe ser eliminada. El seguidor solar de este
proyecto presenta un modelo de control a lazo abierto. Un modelo de control a lazo
cerrado eliminaría las perturbaciones.
Al ser un modelo experimental, el programa de usuario que corre dentro del
microcontrolador puede ser modificado para mayor funcionalidad.
Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología
de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las
condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria. Es por
44
ello que se inicia este tipo de trabajo de investigación como aporte a esta nueva
alternativa de captación de energía.
4.4 Observaciones
El costo aproximado de la implementación del seguidor solar asciende entre
100 y 120 nuevos soles, sin considerar el software y grabador usado para el
microcontrolador PIC. En el anexo D se detalla el presupuesto del proyecto.
Debido a que ya existía la estructura mecánica para el seguimiento en el
reflector solar, se trabajó en base a las limitaciones que este presentaba, como es
el caso del eje de rotación por el cual se tuvo que hacer un acotamiento del ángulo
de seguimiento de 30 a 150 grados.
El GRUPO PUCP tiene planeado llevar el reflector solar a la ciudad del
Cusco, donde se tiene planeado hacer las pruebas de rigor que este requiere.
45
CONCLUSIONES
Luego de una exhaustiva indagación, se pudo estudiar y asimilar los
fundamentos, conceptos teóricos y prácticos implícitos en la investigación del
presente trabajo, lo que permitió dar cumplimiento a los objetivos, seleccionando el
método para el seguimiento solar.
Se analizaron los diferentes tipos de seguidores en el mercado obteniendo
características de cada una para su análisis, además se analizó la trayectoria de
seguimiento de cada seguidor de acuerdo a su eje de rotación para obtener una
idea del algoritmo de control que se debe seguir.
Sé logró diseñar e implementar un circuito gobernado por un
microcontrolador con un algoritmo sencillo que en base a la hora posiciona al
reflector solar, logrando un bajo consumo de energía por parte del microcontrolador
y circuito electrónico.
Se ha conseguido que el seguidor incline al reflector de la manera más
perpendicular posible a los rayos solares. El cambio de inclinación se ha
conseguido mediante el diseño de un circuito electrónico en el que se incluyen
varios componentes, de los cuales el más importante es el microcontrolador PIC.
Programando este microcontrolador se ha conseguido que el panel tenga en cada
momento del día una aproximación bastante buena al ángulo óptimo. Esta
aproximación corresponde con el ángulo horario y no supera el 5% de error en
cuanto a captación de la radiación solar.
En definitiva, esta tesis consiste en un seguidor solar más ligero, con un
coste de fabricación reducido y de buena calidad, para así obtener un sistema
barato y bueno.
El prototipo construido puede ser utilizado en otras aplicaciones que
requieran una actividad de seguimiento solar como paneles fotovoltaicos, colectores
solares,  entre otros.
46
MEJORAS Y TRABAJOS FUTUROS
Control de las oscilaciones
Con el diseño realizado hasta el momento se obtiene un buen
funcionamiento si las condiciones climáticas son favorables, es decir si no hay
viento. Cuando hay viento el mecanismo sufre oscilaciones muy grandes. Estas
oscilaciones se pueden evitar instalando otro motor del mismo tipo del que ya está
instalado para que las controle.
Seguidores solares de dos ejes
El seguidor solar confeccionado en el presente trabajo fue de un sólo eje de
seguimiento (eje de seguimiento en azimut), siendo el eje de elevación estático o
fijo, pero con la posibilidad de moverlo manualmente según las distintas estaciones
del año, sin embargo, sería interesante en un futuro trabajo de investigación en
torno a esta materia, estudiar los seguidores solares de dos ejes, para entender su
funcionamiento y dimensionar su eficiencia energética.
En teoría, al tener un seguidor solar de dos ejes, se obtiene una mayor
cantidad de energía, debido a la gran precisión que estos poseen, ya que son
capaces de concentrar o mantener centrado el haz de luz proveniente del sol en un
solo punto durante el día, lo que sin lugar a dudas significa una gran capacidad de
energía.
Sistemas de seguimiento con realimentación
El seguidor solar construido en ésta tesis, fue implementado con un control
de lazo abierto, es decir, sin realimentación, realizando el seguimiento del sol con
un reloj de tiempo real y en base a la hora (admitiendo que el sol siempre pasa por
la misma parte a una hora determinada).
Se trató de confeccionar un seguidor solar con realimentación
(fototransistor), pero en un día nublado el seguidor se tornó inestable, ya que las
nubes ocasionaban distintas zonas con gran luminosidad, por este motivo la idea
47
fue rechazada, además por razones comerciales, ya que el sensor tiene un costo, e
implica limpiarlo (mantenimiento) cada cierto tiempo. Sin embargo, existen
seguidores solares que poseen control de lazo cerrado, es decir, con
realimentación, lo que permite conocer y corregir errores durante el seguimiento,
claramente cuentan con sensores ópticos infrarrojos adecuados, capaces de seguir
el sol incluso en un día nublado. Sería interesante en un trabajo futuro estudiarlos
más a fondo y comparar ambos resultados, en términos de eficiencia energética,
obviamente para esto se debería contar con sistemas con y sin realimentación,
instalados bajo las mismas condiciones.
48
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