Seguidor solar

Perteneciente A: Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

Profesora: Revoredo Peña, Adriana Sofía

Curso: Metodología de la Investigación Científica

Facultad: FIMAAS

Especialidad: Ingeniería Mecánica

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ÍNDICE

ÍNDICE 1

Introducción 2

Capítulo 1 3

Descripción de la Realidad Problemática 3Delimitación de la Investigación 3Planteamiento del Problema de la Investigación 3

Problema Principal 3Problemas Secundarios o Subproblemas 3

Objetivos de la Investigación 3Objetivo General 3Objetivos Específicos 4

Justificación e Importancia 4Limitaciones 4

Limitaciones de Información 4Limitaciones de Tiempo 4Limitaciones Económicas 4

Definición de términos básicos 4Diseño de la Investigación 4

Metodología de la Investigación 4Tipo de Investigación 5Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos 5Procedimientos 5

Capítulo 2 6Energía Solar y sus Diferentes Usos 6

Ventajas de la Energía Solar 7Desventajas de la Energía Solar 7

Definición de un Seguidor Solar 7Seguidor Solar según el tipo de movimiento 7

Seguidor de un solo eje 7Seguidor de dos ejes 7

Seguidor Solar según el tipo de algoritmo de seguimiento 7Según la Luminosidad 7Con programación astronómica 8

Estructura Física del Seguidor Solar 8Observaciones 10Conclusiones 10Fuentes de información 10Anexos 11

1 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

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INTRODUCCIÓN

En la actualidad, se evidencia como el desarrollo industrial y económico de gran parte de las empresas conlleva a una clara expansión de los sistemas mecánicos en potencia. En países en donde se requiere la utilización de recursos no renovables o la combustión de materiales tales como el carbón, gas natural, derivados del petróleo entre otros para la generación de energía, se encuentran diferentes inconvenientes, entre los que se cuentan principalmente el impacto ambiental y la limitada duración de estos recursos como fuente de energía. La repercusión de la generación de energía eléctrica de manera convencional sobre el medio ambiente se evidencia en el deterioro de la calidad del aire, además se genera un efecto de calentamiento del planeta, conocido como efecto invernadero. El otro gran inconveniente resulta ser el inminente agotamiento de las principales fuentes de generación de energía convencionales, ya que el carácter de no renovables del gas, carbón, petróleo entre otros, así como el aumento constante de la demanda de estos materiales hace que sea una obligación buscar alternativas para reemplazarlos.

Afrontar las necesidades energéticas de manera sostenible contribuirá en gran medida a la solución de los retos de principio de siglo, como la pobreza, el cambio climático, la seguridad alimentaria, etc. La convergencia actual de diversas crisis (económica, junto con la continua volatilidad de los precios del petróleo y los alimentos) configura un escenario adecuado para plantear una nueva formulación de las políticas, así como para destinar mayores inversiones hacia un proceso de desarrollo más seguro y sostenible.

Uno de los factores en los que se viene trabajando y el cual contribuirá a aumentar la popularidad de las energías alternativas es el aumento de su uso eficiente. La energía solar presenta un gran inconveniente en cuanto a la dificultad de su introducción al mercado eléctrico debido al elevado costo MW/h, sin embargo se estima que se presentará una reducción del 18% cada que la producción se duplique. Las diferentes tecnologías de fabricación, así como la producción a gran escala han contribuido de manera significativa a la reducción de los precios de los módulos fotovoltaicos.

El objetivo de este proyecto es presentar el desarrollo de un prototipo que permita realizar el seguimiento. El dispositivo que se utilizara permite aumentar la radiación captada por el modulo solar mediante el movimiento continuo del panel.El único inconveniente que obtuve en la investigación es hallar un sistema lógico programable para programar los sensores con el motor.


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CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

1.1 Descripción de la Realidad ProblemáticaLa energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación del sol con el cual se puede obtener energía eléctrica (utilizando paneles fotovoltaicos) y poder aprovecharlo en diversas cosas, por ejemplo una población que por muchos años no tienen el servicio de electricidad en sus casas, con un panel solar fotovoltaico podrían obtener este beneficio según la condición del clima (si los rayos solares aparecen la mayor parte del día y del año) y para lograr una mayor eficiencia en la absorción es donde aparece el seguidor solar ya que si los paneles siguen al sol en todo momento los rayos solares incidirán con un ángulo de 90° logrando así una mayor absorción y tener un mayor aprovechamiento que un panel solar estático. No solo se puede usar el seguidor solar para ayudar a otras personas de recursos bajos o que la ubicación de su hogar sea lejana a una ciudad, sino también lo puede utilizar una persona en su hogar para disminuir gastos de energía eléctrica.

1.2 Delimitación de la InvestigaciónLa investigación se reduce solo en darle movimiento a los paneles solares porque en datos experimentales se observa que la absorción de energía no es la misma cuando aparece el sol por el oeste y se oculta en el este. El dato que recurrió la investigación fue que los rayos que inciden en 90°con los paneles, provocan una mayor absorción que los que inciden en otros ángulos. Para lograr el objetico se utilizara unos sensores de luz que activaran un mecanismo que provocara el movimiento del panel hacía el sol cada vez que no haya un ángulo de incidencia de 90°.

1.3 Planteamiento del Problema de la Investigación1.3.1 Problema Principal

¿Por qué la necesidad de que los paneles solares sigan el movimiento del sol?

1.3.2 Problemas Secundarios o Subproblemas¿Cuál es la finalidad de que los paneles solares sigan el sol?

1.4 Objetivos de la Investigación 1.4.1 Objetivo General

Conocer la necesidad de que los paneles solares sigan el movimiento del sol.


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1.4.2 Objetivos EspecíficosDeterminar la finalidad de que los paneles solares sigan el sol; un ejemplo es que puede dar muchos beneficios a poblaciones rurales, como también poblaciones que viven en muy al interior del país.

1.5 Justificación e Importancia Se justifica que el seguidor solar es más eficiente que un panel solar estático, por la cantidad de energía que absorben cada uno. Es por esta razón que opte por realizar esta investigación, puesto que traería un beneficio a la población sobre todo a poblaciones que vive alejados a la ciudad o capital, las cuales no gozan del servicio eléctrico en sus viviendas. Otro beneficio es llevar esta investigación en el departamento de Puno con el objetivo de utilizar la electricidad para encender calefactores, sobre todo en temporada de invierno en donde llegan a temperaturas bajo cero. Este beneficio se pondrá en investigación posteriormente.

1.6 Limitaciones1.6.1 Limitaciones de Información

La única información que no he tenido acceso es como hacer la programación de un controlador lógico programable (PLC) para que los sensores puedan activar al mecanismo que provocare el movimiento del panel.

1.6.2 Limitaciones de TiempoEl tiempo es una limitación para la investigación, ya que tendría que dejar algunas labores, como ir a la universidad y/o otras labores personales.

1.6.3 Limitaciones Económicas

1.7 Definición de términos básicosFotovoltaico.- material o dispositivo que convierte la energía luminosa en electricidad.PLC.- son dispositivos electrónicos usados en automatización.Azimut.- es el ángulo que forma el horizonte con el punto cardinal Norte.

1.8 Diseño de la Investigación1.8.1 Metodología de la Investigación

Generales.- se obtiene de un análisis, porque en el transcurso del día se observó que la absorción de los rayos solares no es la misma en todo momento.


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1.8.2 Tipo de InvestigaciónMixta.- Porque se recurrió a bibliografías del curso de física en especial al tema de ondas y óptica, en donde se encontró una solución al problema de la eficiencia de absorción.

1.8.3 Técnicas e Instrumentos de Recolección de DatosAnálisis de Documentos. – Porque se acudió a bibliografías para encontrar alguna teoría y dar solución al problema. También se consultó en algunas revistas obtenidas de la página web Redalyc.

Observación Directa.- En conjunto con el análisis ayudo a determinar el problema de absorción de rayos y a partir de ella dar la solución desde una nueva perspectiva.

Internet.- Algunas informaciones fueron recopiladas de páginas web Redalyc que tienen una información de gran confiabilidad.

1.8.4 ProcedimientosPlaneación.- Las celdas solares sirven para absorber energía solar y convertirla en electricidad, y para que el nivel de electricidad sea lo más constante en todo momento se determinó en colocar un sensor de luz para poder seguir el sol en todo momento y que los rayos incidan en un ángulo de 90° logrando así la mejor absorción durante el día. La realización de los seguidores solares no tiene un gasto muy alto por lo que se puede utilizar en algunas zonas en donde el sol aparece la mayor parte del año y porque no con esta nueva obtención de electricidad poder brindarlas en zonas rurales.

Recopilación.- Para determinar el problema de absorción se investigó en libros y en algunas revistas científicas de Redalyc, se pudo obtener algunos datos para la solución y como poner en marcha cada cambio de los paneles solares a un seguidor solar.


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CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO2.1 Energía Solar y sus Diferentes Usos

Existen fuentes de energía que por su carácter de renovables o por la enorme cantidad de reserva de la que se dispone pueden ser consideradas ilimitadas, es el caso del sol. Este se comporta como un proceso de fusión nuclear, en donde se unen los núcleos de átomos ligeros como el hidrogeno y el helio, liberan grandes cantidades de energía radiante que llegan hasta la superficie del sol pasando de unos 20 millones de grados centígrados a unos 6000 grados centígrados. Toda esta energía viaja por la atmosfera; en este punto del camino se filtran los rayos ultravioleta gracias a la acción de la capa de ozono.El sol es la principal fuente de energía para los procesos biológicos del planeta, de esta manera el ser humano ha dependido de este sin darle la importancia que representa en las actividades humanas. En este sentido, la calefacción fue uno de los primeros usos de la energía solar, sin embargo, la utilización de combustible para este mismo fin reemplazo y limito hace unos 2500 años la posibilidad de expandir la energía solar como fuente importante en las actividades que requieren energía calorífica, debido a que la quema de combustibles presentaron una mayor eficiencia y facilidad en la manipulación.La cantidad de energía solar recibida anualmente por la tierra es 1.5x1018 KWh, representa 10000veces el consumo de energía en ese mismo periodo, esto se interpreta como que además de que el sol es el actor principal de los procesos biológicos en la tierra, este puede ser considerado una fuente inagotable de energía la cual puede ser aprovechada mediante un adecuado sistema de captación y conservación a otro tipo de energía, por ejemplo energía eléctrica, térmica entre otras.

2.1.1 Ventajas de la Energía SolarLa energía solar es una de las alternativas energéticas más importantes en la actualidad, esta ofrece una serie de ventajas tales como:

Utiliza recursos naturales inagotables, la luz solar. Es una energía limpia que no genera emisiones de gases

contaminantes ni otro tipo de residuos. Es una solución ideal para disponer de electricidad en zonas

aisladas. Es la única energía renovable que puede instalarse a gran

escala dentro de las zonas urbanas. En el caso de instalaciones conectadas a la red, hay

subvenciones públicas y primas a la producción. Los paneles y la estructura de soporte pueden desmontarse al

final de la vida útil, pudiendo reutilizarse.


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2.1.2 Desventajas de la Energía SolarEntre los inconvenientes no comparables con los de las fuentes de energías convencionales y más bien propias de las instalaciones y parques solares, se encuentran:

El impacto visual de los parques solares, que suelen ocupar grandes superficies de captación.

Solo se produce energía mientras hay luz y depende del grado de insolación.

El costo de las instalaciones es elevado, sobre todo si se compara con otro tipo de instalaciones que generen la misma potencia.

El periodo de amortización de la inversión es largo. El rendimiento es bastante bajo, debido a la baja eficiencia de

las células solares, en muchos casos inferior al 40%. El tiempo que deben esperar, según manifiesta la Asociación

de la Industria Fotovoltaica.

2.2 Definición de un Seguidor SolarUn seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que estos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, siguiendo al sol desde el oeste en la alborada hasta el este en la puesta.

2.3 Seguidor Solar según el tipo de movimiento2.3.1 Seguidor de un solo eje

La rotación de la superficie de captación se hace sobre un solo eje, este puede ser horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento representa un mínimo grado de complejidad y su costo es menor en comparación con otros tipos de seguidores. La limitación de este tipo de seguidor consiste en que no puede realizar un seguimiento completo del sol ya que solo puede seguir la azimut o la inclinación solar, pero no ambas.

2.3.2 Seguidor de dos ejesEste tipo de seguidor cuenta con dos grados de libertad y está en capacidad de realizar un seguimiento total del sol, tanto en inclinación como en azimut, aunque el rendimiento de la instalación puede ser superior en comparación con los de un solo eje, es importante mencionar que el de dos ejes resulta ser más costoso.

2.4 Seguidor Solar según el tipo de algoritmo de seguimiento2.4.1 Según 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


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que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad. Este tipo de seguimiento resulta ser de fácil implementación.

2.4.2 Con programación astronómicaEste 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.

2.5 Estructura Física del Seguidor SolarLas dimensiones del panel solar fotovoltaico que se utiliza para la aplicación particular del prototipo del seguidor solar, es de 14x20 cm. Este tamaño define el espacio comprendido entre los pilares principales que sostiene el panel.En primera instancia se encuentra la base, que comprende tres laminas rectangulares de madera triplex unidas, con las dimensiones necesarias para albergar la totalidad de dispositivos del sistema incluyendo el panel solar fotovoltaico, la parte superior de estos se encuentra perforada con el objetivo de darle paso al eje. Ver anexo 1.

El eje que pasa a través de los agujeros de los pilares principales posee en uno de sus extremos un acople que es útil al motor que mueve al eje. El acople está compuesto por 4 láminas cuadradas de dimensiones de 7x7 cm. Este tamaño depende del piñón del motor y de la forma que tenga. En este caso el piñón que va encajado al motor es en forma de estrella. Ver anexo 2.

Para permitir que el panel solar fotovoltaico sea sostenido por el eje, se utiliza un par de piezas de madera y un contrapeso, necesario para mantener el equilibrio. Este debe tener igual peso que el panel. El peso del panel solar es de 0.63 Kg y para obtener un contrapeso de esa magnitud es necesario unir láminas de madera con dimensiones igual al panel. Ver anexo 3.

El motor que mueve el panel solar debe estar sostenido por una pieza que le pueda brindar firmeza en el momento en que entre en acción. Ver anexo 4. Se evidencia nuevas piezas que contienes la estructura del seguidor solar; el soporte lateral y el transversal, este último es donde descansa el motor; la pieza de presión evita que el motor se salga del acople y las cuñas impide que el motor se salga hacia los lados.


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A partir de dos celdas fotovoltaicas independientes al panel solar, se puede manejar la posición del panel. La diferencia de voltaje entre las celdas determina la inclinación con respecto al punto en el que se encuentra el sol. La manera en que se puede configurar las celdas para este objetivo es como se muestra en el Anexo 5.


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OBSERVACIONES

No termine de realizar el prototipo, ya que no tuve el tiempo suficiente en conseguir un modelo de programación de los sensores así que no podría especificar si el rendimiento que se obtendría seria mayor a un panel solar pero lo que dice la teoría si es cierto.

CONCLUSIONES

Un seguidor solar maximiza la exposición de un panel a los rayos de luz incidentes con el objetivo de mejorar el rendimiento, o potencia, entregada por el mismo.

El prototipo construido cumple con las características requeridas de seguimiento en un solo eje, realizando el seguimiento azimutal del sol.

El prototipo construido puede ser utilizado en otras aplicaciones que requieran una actividad de seguimiento solar, como colectores solares, hornos solares, entre otros.

FUENTES DE INFORMACIÓN

Pattanasethanon, S., 2010, “The Solar Tracking System by Using Digital Solar Position Sensor”, American Journal of Engineering and Applied Sciences, 3 (4), pp. 678-682.

Rizk, J., y Chaiko, Y., 2008, “Solar Tracking System: More Efficient Use of Solar Panels”, Wold Academy of Science, Engineering and Technology, 41, pp. 313-315.

http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=84917249001 http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=84917316046 http://es.wikipedia.org/wiki/Direcci%C3%B3n_de_incidencia_de_la_irradiaci

%C3%B3n_solar, 2008.


http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=84917316046

http://redalyc.uaemex.mx/src/inicio/ArtPdfRed.jsp?iCve=84917249001

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ANEXOS

Anexo 1. Se muestra los dos pilares principales unidos a la base con sus

respectivas dimensiones.

Base del seguidor solar con los pilares principales acoplados.

Anexo 2.

Pieza compuesta por el acople y el eje.


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Anexo 3.

Contrapeso unido al panel solar.

Anexo 4.

Vista de prefil de la estructura que sostiene el motor.


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Anexo 5.

Estructura de soporte de las celdas fotovoltaicas.


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