SEP TNM

INSTITUTO TECNOLGICO DE TIJUANA

SEGUIDOR DE LUZ

INFORME FINAL DE PROYECTO

INGENIERA ELECTRNICA

Presenta

Pereyra Cebrero Saul Vicente

Asesor M.C. Ramn Ramrez Villalobos

Tijuana, Baja California, Mayo 2015

iAgradecimientos

Nos gustara dar las gracias a muchas personas que nos ayudaron

en varias etapas de este proyecto, su estmulo, crticas y

sugerencias han sido invaluables. Gracias al Ing. Vicente Pereyra

quien nos brind asesora cuando no se dispona de informacin.

ii

Resumen

En el presente informe se estar abordando lo relacionado con el proyecto Seguidor de luz, el

cual est provisto para una mayor captacin de rayos luminosos, los cuales mediante una

celda fotovoltaica, poder utilizar de manera inteligente explotando as esta energa gratuita.

Con la creciente demanda de energa en la actualidad la sociedad se ha visto inmersa en la

necesidad de buscar formas de aprovechar todos los recursos a su alrededor, debido a esto

no se pudo pasar desapercibida nuestra gran estrella central el Sol la cual da a da nos

abraza con sus incandescentes rayos.

Mediante este proyecto se pretende implementar un sistema con el cual mediante cuatro

sensores LDR y amplificadores operacionales, detectar el error de polarizacin que se puede

presentar, de esta forma se mejorara la seal de control, consecuentemente la seal de salida

indicara tanto a la planta A (motor A) como a la planta B (motor B) en qu sentido tienen que

girar para una mayor incidencia de rayos solares.

Abstract

This report will be addressed related to the project Light tracker, which is provided for an

increased uptake of light beams, with a photovoltaic module, use wisely and exploiting this free

energy. With the growing energy demand at present the society has been immersed to find

ways to leverage all the resources around them, because of this reason could not pass

unnoticed our large central star "The Sun" which all days embraces us with its incandescent

rays.

On this project implement a system whereby through four LDR sensors and operational

amplifiers, detect polarized error that can occur, thus the control signal is improved,

consequently the output signal indicating both the plant A (motor A) and the plant B (motor B)

in what direction have to turn to a higher incidence of sunlight.

iii

Tabla de contenido

ndice de tablas ............................................................................................................vndice de figuras ......................................................................................................... vii

Indice de figuras del capitulo 2 ............................................................................... viiiIntroduccin................................................................................................................. ix

Antecedentes ............................................................................................................xDefinicin del problema.............................................................................................xHiptesis....................................................................................................................x

Justificacin................................................................................................................. xiObjetivo general ........................................................................................................ xiii

Objetivos especficos ............................................................................................. xivProblemas a resolver .................................................................................................xvAlcances y limitaciones ............................................................................................ xvii1 Fundamentos tericos.............................................................................................. 1

1.1 Energa solar ...................................................................................................... 21.1.1 Radiacin solar..................................................................................................................................... 21.1.2 Fotoqumica .......................................................................................................................................... 4

1.2 Controlador......................................................................................................... 52 Procedimiento y descripcin de actividades............................................................. 7

2.1 Diseo conceptual .............................................................................................. 9Algoritmo de funcionamiento...................................................................................................................... 10

2.2 Especificaciones de diseo .............................................................................. 112.3 Diseo detallado............................................................................................... 14

Comparador.................................................................................................................................................. 16Control proporcional .................................................................................................................................... 16Control integrador y derivativo ................................................................................................................... 16Amplificador de potencia ............................................................................................................................ 16

2.4 Resultados ....................................................................................................... 172.5 Discusin de los resultados.............................................................................. 19

Atributos ........................................................................................................................................................ 19Obstculos .................................................................................................................................................... 20

3 Conclusiones.......................................................................................................... 214 Recomendaciones.................................................................................................. 23Glosario ..................................................................................................................... 25Referencias bibliogrficas ......................................................................................... 27Anexos ...................................................................................................................... 29

vndice de tablas

vi

Tabla 1.- bitcora .......................................................................................................................................... 8Tabla 3.- componentes electrnicos ................................................................................................ 31Tabla 3.- piezas de acrlico .................................................................................................................... 31Tabla 4.- componentes electrnicos ................................................................................................ 31

vii

ndice de figuras

viii

Indice de figuras del capitulo 2

Fig. 2. 1 Diagrama a bloques del sistema controlado 10Fig. 2. 2 Diagrama de flujo para circuito simplificado 10Fig. 2. 3 Diagrama de flujo del proceso a realizar por el sistema 11Fig. 2. 4 Dibujo conceptual de la base para el seguidor de luz solar 13Fig. 2. 5 Diagrama del circuito electrnico para una planta 14Fig. 2. 6 Lugar geomtrico de las races 15Fig. 2. 7 Respuesta del controlador PID propuesto 17Fig. 2. 8 Visualizacin isomtrica de la base para el seguidor de luz 18Fig. 2. 9 Vista real de la base terminada 18

ndice de figuras del Anexo B

Fig. B. 1 Simulacin de montaje en PCB ............................................................................................... 33Fig. B. 2 Obra a imprimir en PCB (lado de soldadura)........................................................................... 33Fig. B. 3 Obra a imprimir en PCB (lado de componentes)..................................................................... 34Fig. B. 4 Base ......................................................................................................................................... 34Fig. B. 5 Laterales .................................................................................................................................. 35Fig. B. 6 Lateral con salida para botn y cables de motores ................................................................. 35Fig. B. 7 Base para motor A ................................................................................................................... 36Fig. B. 8 Base para engrane .................................................................................................................. 36Fig. B. 9 Base para panel solar .............................................................................................................. 37Fig. B. 10 Pieza Z ................................................................................................................................... 37Fig. B. 11 Pieza Y................................................................................................................................... 38Fig. B. 12 Pieza M2 ................................................................................................................................ 38Fig. B. 13 Pieza JK................................................................................................................................. 39Fig. B. 14 Plantilla para acrlico de 1/8" transparente ............................................................................ 39Fig. B. 15 Plantilla para acrlico de 1/4" transparente ............................................................................ 40Fig. B. 16 Plantilla para acrlico de 1/8" negro ....................................................................................... 40Fig. B. 17 Boceto de la base y laterales................................................................................................. 41Fig. B. 18 Boceto de la base del primer motor y la pieza Z ................................................................... 42Fig. B. 19 Boceto de la base para el engrane, piezas Y y M2 .............................................................. 43Fig. B. 20 Boceto de la base para el panel solar y pieza JK.................................................................. 44

ndice de figuras del Anexo CFig. C. 1 Diagrama de sensores (Fotorresistencias).............................................................................. 46Fig. C. 2 Amplificador operacional como sumador o comparador ......................................................... 46Fig. C. 3 Controlador tipo P con amplificador operacional.................................................................... 47Fig. C. 4 Controlador tipo I con amplificador operacional ..................................................................... 47Fig. C. 5 Controlador tipo D con amplificador operacional .................................................................. 47Fig. C. 6 Amplificador operacional con inversor de ganancia 1 y amplificador de potencia contransistores ............................................................................................................................................. 48Fig. C. 7 Proteccin de motores con diodos, reley y botn de lmite..................................................... 48

ndice de figuras del Anexo DFig. D. 1 Amplificador operacional cudruple de baja potencia LM324............................................... 50Fig. D. 2 Transistor NPN TIP 31c.......................................................................................................... 50Fig. D. 3 Transistor PNP TIP 32c .......................................................................................................... 51Fig. D. 4 Reley SPDT Ras0510 SunHold.............................................................................................. 51

ix

Introduccin

xIntroduccin

AntecedentesEn la naturaleza se puede extraer el concepto elemental de este sistema, el cual busca

maximizar la recepcin de la energa. Como lo es un girasol (Helianthus annuus) cuyo nombre

se refiere a que el captulo floral gira segn la posicin del sol (heliotropismo). Otro nombre

comn mirasol es ms preciso, ya que indica que es un heliotropismo/fototropismo positivo, o

sea hacia la luz.

El calentamiento global y el deseo de reducir al mnimo las emisiones de gases de efecto

invernadero, han puesto el foco en cmo sacar el mximo provecho de las fuentes de energa

natural. El sol y el viento estn libremente disponibles en casi todo el mundo y los actuadores

elctricos pueden ayudar a mejorar la explotacin y la eficiencia de estas fuentes de energa

sostenibles. El seguimiento solar es una manera obvia de mejorar la eficiencia de las plantas

de energa solar. A medida que el sol se mueve a travs del cielo, un sistema de actuador

elctrico se asegura de que los paneles solares sigan automticamente y mantengan el ngulo

ptimo con el fin de aprovechar al mximo los rayos del sol.

Con base en lo anterior el seguidor solar es un aparato tecnolgico con capacidad de

orientacin hacia el sol, es decir, seguir la trayectoria del sol desde el amanecer en el este

hasta la puesta del sol en el occidente. Las paredes fotovoltaicas se encuentran todo el da

dirigidos directamente contra el sol y as notablemente aumenta su rendimiento. La energa

solar se puede aprovechar bastante bien no slo en regiones con una larga duracin de

radiacin solar sino tambin con la altitud sobre el mar. El seguimiento del sol desde el este

por la maana al oeste por la tarde aumentar la eficiencia del panel solar hasta un 45%.

Definicin del problemaCon la creciente demanda de energa en la actualidad la sociedad se ha visto inmersa en la

necesidad de buscar formas de aprovechar todos los recursos a su alrededor, debido a esto

no se pudo pasar desapercibida nuestra gran estrella central el Sol la cual da a da nos

abraza con sus incandescentes rayos.

HiptesisSe podr realizar un modelo prctico de un dispositivo seguidor de luz utilizando amplificadores

operacionales y PIDs en motores CD.

xi

Justificacin

xii

Justificacin

Hoy en da el consumo de energa se ha vuelto un factor bsico para muchos aspectos de la

actividad humana. Por ende, la energa es indispensable para el progreso de un pas, tanto es

as que la tasa de consumo energtico est muy relacionada con el grado de desarrollo

econmico. Esta es la razn por la cual las energas renovables, o verdes, estn siendo muy

demandadas ya que su utilizacin no produce emisiones contaminantes para el medio

ambiente y se obtienen a partir de fuentes naturales que son virtualmente inagotables, siendo

el sol la ms importante de ellas.

En la actualidad hay muchas formas de obtener energa elctrica y una de ellas son las

plantas solares, pero al estar fsicamente inmviles, el porcentaje de eficiencia no es el ms

ideal por lo cual se necesita encontrar una forma en la que se maximice ese porcentaje y as

la energa obtenida sea mayor.

La solucin es un dispositivo seguidor de luz, el cual se mover hacia donde los rayos solares

sean ms intensos, mejorando el rendimiento de los paneles solares y a su vez creando un

beneficio tanto ecolgico como econmico en la sociedad.

xiii

.

Objetivo general

xiv

Objetivo general

Elaborar un dispositivo seguidor de luz utilizando los conocimientos adquiridos en la clase de

control.

Objetivos especficos Disear un sistema mecnico utilizando materiales vistos en la materia.

Implementar un sistema de control para operar las plantas.

Optimizar las plantas mediante la aplicacin de controladores PID.

xv

Problemas a resolver

xvi

Problemas a resolver

Alcanzar el presupuesto necesario para elaborar el proyecto.

Conseguir los materiales requeridos.

Superar los obstculos para mantener el plan de trabajo.

xvii

Alcances y limitaciones

xviii

Alcances y limitaciones

Se pretende elaborar un dispositivo que siga la luz, se mover horizontalmente y

verticalmente.

Implementar el dispositivo con paneles solares para absorber la luz.

No podr moverse en tres dimensiones.

11 Fundamentos tericos

2Fundamentos tericos

1.1 Energa solar

La Energa Solar es aquella energa que se obtiene mediante la captura de radiacin solar,

rayos de luz y el calor que emite el sol. Esa energa que emana del sol, los seres humanos la

podemos convertir en energa til, es decir, ya sea para calentar algo o bien para producir

electricidad, entre las aplicaciones ms comunes y relevantes que se realizan con ella.

Segn diferentes estudios, cada ao, el sol produce 4 mil veces ms energa de la que los

seres humanos somos capaces de consumir, por lo cual su potencial es realmente ilimitado y

una de las energas renovables ms desarrolladas y empleadas en casi todo el mundo.

La intensidad de la mencionada energa disponible en un punto determinado del planeta tierra

depender del da del ao, la hora y la latitud, aunque tambin incidir en la cantidad de

energa que pueda recogerse, la orientacin que disponga el dispositivo receptor.

Para producir electricidad lo que se emplean son las clulas solares, que vienen a ser el alma

de los paneles solares y que son las que en definitiva tienen la misin de transformarla en

energa elctrica.

Es una de las energas renovables en la cual ms inversiones se estn haciendo, decenas

de granjas solares se construyen en el mundo con el propsito de transformar dicha energa

en electricidad. Por otro lado, al tratarse de una energa verde al emplearla se est ayudando

a combatir el peligroso calentamiento global que lamentablemente vive nuestro planeta por

estos tiempos. Para este proyecto se pueden tomar en cuenta tres aspectos importantes a

comprender los cuales en orden son la radiacin solar, paneles solares y el funcionamiento de

un dispositivo receptor mediante la implementacin de controladores. Cada aspecto se

abordara para fundamentar el funcionamiento del proyecto Seguidor de luz.

1.1.1 Radiacin solar

El espectro solar (radiacin solar que llega a la tierra) comprende, diversos tipos de

radiaciones que nos llegan una vez pasado el filtro de la atmsfera.

3Bsicamente est compuesto por:

56% de radiacin infraroja IR (10000-800 nm.)

39% de radiacin visible (800-400 nm.)

5% de radiacin ultravioleta UV (400-200 nm.)UVA (400-320 nm.)UVB (320-290

nm.)UVC (290-200 nm.)

Una vez expuesto la composicin de la radiacin solar y tomando en cuenta que la radiacin

es la luz emitida por la misma estrella solar, haramos bien es preguntar Cmo viaja la luz?

En el siglo XVII, Isaac Newton defendi la teora de que la luz son partculas. En esos mismos

aos, Huygens y Hooke (combativos rivales de Newton) apoyaron la hiptesis de que la luz es

una onda. Ambas teoras aportaban experimentos que corroboraban el modelo.

La idea de la luz como partcula retorn con el concepto moderno de fotn, que fue

desarrollado gradualmente entre 1905 y 1917 por Albert Einstein apoyndose en trabajos

anteriores de Planck quien introdujo el concepto de cuanto (El nombre moderno fotn

proviene de la palabra griega que significa luz).

El fotn es la partcula portadora de todas las formas de radiacin electromagntica,

incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, las

microondas, y las ondas de radio (el fotn tiene masa cero y viaja en el vaco con una velocidad

constante c).

Esta partcula presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias (Dualidad onda-

corpsculo). Se comporta como una onda en algunos fenmenos como la refraccin que tiene

lugar en una lente, o como una partcula cuando interacciona con la materia para transferir una

cantidad fija de energa (Para la luz visible, la energa portada por un fotn es de alrededor de

4x10-19 julios, esta energa es suficiente para excitar un ojo y dar lugar a la visin).

Los fotones se aplican a muchas reas, como la fotoqumica y la medicin de distancias

moleculares. Incluso se los ha estudiado como componentes de computadoras cunticas.

41.1.2 Fotoqumica

La fotoqumica es el estudio de las transformaciones qumicas provocadas o catalizadas por

la emisin o absorcin de luz visible o radiacin ultravioleta. Una molcula en su estado

fundamental (no excitada) puede absorber un quantum de energa lumnica, esto produce una

transicin electrnica y la molcula pasa a un estado de mayor energa o estado excitado. Una

molcula excitada es ms reactiva que una molcula en su estado fundamental.

El fenmeno fotoqumico precisa de fases principales:

1. Recepcin de la energa luminosa

2. Reaccin qumica propiamente dicha.

Segn se opere con una sustancia nica o con un sistema de varios cuerpos en presencia,

se realizar, bien una descomposicin de la sustancia en sus elementos (fotlisis), bien una

combinacin de varios cuerpos en uno solo (fotosntesis).

Leyes fundamentales.

1. Ley de absorcin de Grotthus-Draper: Una radiacin no puede provocar accin qumica

ms que si es absorbida por un cuerpo (o un sistema de cuerpos); si no, no puede

haber transmisin de energa luminosa.

2. Ley energtica: Para que una radiacin luminosa acte eficazmente, debe poseer una

energa, por lo menos, igual a la necesaria para la transformacin qumica. Se sabe

que la radiaciones poseen tanta ms energa cuanto ms cortas sean sus longitudes

de onda (o ms elevadas sean sus frecuencias).

3. Ley de la equivalencia fotoqumica (o ley de Einstein): A cada fotn absorbido,

corresponde una molcula descompuesta o combinada. Segn esto se comprueba que

prcticamente el nmero de fotones activos absorbidos en una reaccin qumica,

corresponde raramente al nmero de molculas descompuestas con el nmero de

fotones absorbidos.

A partir de aqu podemos visualizar el funcionamiento que rige a una celda solar (panel solar

o celda fotovoltaica) y a una LDR (resistencia dependiente de luz).

5Las celdas solares se basan en la energa fotovoltaica la cual transforma directamente la

radiacin solar en electricidad. Esta transformacin se produce en unos dispositivos

denominados clulas fotovoltaicas. En las clulas fotovoltaicas, la radiacin solar excita los

electrones de un dispositivo semiconductor generando una pequea diferencia de potencial.

La conexin en serie de estos dispositivos permite obtener diferencias de potencial mayores.

Una LDR se basa en el efecto fotoelctrico. Est hecho de un semiconductor de alta resistencia

como el sulfuro de cadmio (CdS). Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia,

los fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los electrones la

suficiente energa para saltar la banda de conduccin. El electrn libre que resulta, y su hueco

asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores

tpicos varan entre 1 M, o ms, en la oscuridad y 100 con luz brillante.

Las clulas de sulfuro del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su

resistencia segn la cantidad de luz que incide en la clula. Cuanta ms luz incide, ms baja

es la resistencia. Las clulas son tambin capaces de reaccionar a una amplia gama de

frecuencias, incluyendo infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).

El tiempo de respuesta tpico de un LDR est en el orden de una dcima de segundo. Esta

lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rpidas de iluminacin

que podran hacer inestable un sensor.

1.2 Controlador

Provee la excitacin para la planta (sistema a ser controlado), est diseado para controlar el

comportamiento del sistema.

El controlador PID (Proporcional, Integral y Derivativo) es un controlador realimentado cuyo

propsito es hacer que al error en estado estacionario; entre la seal de referencia y la seal

de salida de la planta, sea cero de manera asinttica en el tiempo lo que se logra mediante el

uso de la accin integral. Adems el controlador tiene la capacidad de anticipar el futuro a

travs de la accin derivativa que tiene un efecto predictivo sobre la salida del proceso.

6Histricamente, ya las primeras estructuras de control usaban las ideas del control PID. Sin

embargo, no fue hasta el trabajo de Minorsky de 1922, sobre conduccin de barcos, que el

control PID cobr verdadera importancia terica.

Hoy en da, a pesar de la abundancia de sofisticadas herramientas y mtodos avanzados de

control, el controlador PID es an el ms ampliamente utilizado en la industria moderna,

controlando ms del 95% de los procesos industriales en lazo cerrado.

Los controladores PID son suficientes para resolver el problema de control de muchas

aplicaciones en la industria, particularmente cuando la dinmica del proceso lo permite (en

general procesos que pueden ser descritos por dinmicas de primer y segundo orden).

72 Procedimiento y descripcin deactividades

8Tabla 1.- bitcora11/05/15 12/05/15 13/05/15 14/05/15 15/05/15Investigacin deldiseo

Diseo fsico(dibujo)

Revisin dedise

Compra deacrlico

Corte de piezasde acrlico

Digitalizacin deldiseo

Compra demateriales para CI

Lijado de piezasde acrlico

Preparacin defuente de poderDiseo de circuitoelectrnico (CI)Implementacinde CIDiseo de PCB

16/05/15 17/05/15 18/05/15 19/05/15 20/05/15Compra detornillos para labase

Elaboracin deeje (acerotemplado)

Compra de panelsolar

Compra depotencimetro deprecisin

Detallado deacrlico con gasbutano

21/05/15 22/05/15 23/05/15 24/05/15 25/05/15Investigacindetallada sobreengranes

Recepcin depanel solar

Diseoesquemtico depiezas enSolidWorks

Descanso Soldado deacrlico concemento

Investigacin deSolidWorks

Armadocompleto delmdulo para elpanel solar

26/05/15 27/05/15Elaboracin delreporte

Elaboracin delreporteClculosmatemticos parael desarrollodetallado

En la Tabla 1 se describe el calendario de actividades seguido para la elaboracin del

proyecto seguidor de luz, se puede apreciar que fueron requeridos 17 das para llegar al

objetivo final. El mtodo a utilizar fue mtodo cientfico experimental segn Cecie Starr y Ralph

Taggart para el cual se basa en:

A. Hiptesis

B. Prediccin

C. Experimento

D. Resultados

E. Conclusin

9Para la hiptesis se realiz un boceto del brazo con sus partes mviles para as tener una

idea del funcionamiento y de los materiales requeridos, al tener estos bocetos se pudo realizar

un vaticinio de lo que ocurrira al realizar las tareas para lo que se estaba construyendo.

Para el circuito se procedi de la misma manera y se llev a cabo una simulacin virtual del

funcionamiento por medio del programa LiveWire, los resultados obtenidos, al ser los

esperados, propiciaron que se tomara la decisin de implementar tanto la base para el brazo

hecha de acrlico y el diagrama de circuito electrnico que funcionara como sistema principal

para controlar las plantas A y B.

En el anexo A se puede encontrar el presupuesto a gastar para construir este proyecto a

partir de acrlico y los componentes necesarios para la realizacin de la tarjeta de circuito.

2.1 Diseo conceptual

En la Fig. 2.1 se puede apreciar el diagrama a bloques inicial al analizar el proceso a seguir

por el sistema, en la Fig. 2.2 se analizara el diagrama simplificado con las siguientes

caractersticas:

La seal de salida, Y (t), corresponde a el terminal B (Vase Fig. C. 1 en Anexo C). Si ste

se satura con incidencia luminosa, producir un voltaje que conmutara con la resistencia de

10k el cual ser equivalente al ngulo de la luz recibida. Podemos decir entonces que cuando

produce 0 voltios no hay luz incidente, 1.25 voltios corresponder a aproximadamente 1/3 de

la excitacin luminosa permitida, 2.5 voltios a la mitad de la excitacin por captacin de haces

de luz, etc.

La seal de referencia, R (t), corresponde a la captacin de luz deseada. Es decir, si

queremos que el motor gire a la derecha debemos colocar una referencia de 50% de

incidencia, si queremos a la izquierda colocamos referencia de 75% de incidencia, etc.

La seal de error, e, corresponde a la diferencia entre la seal de referencia y la seal de

salida. Por ejemplo, si queremos que el motor alcance la posicin de 90 grados colocamos

una seal de referencia de 35% y esperamos dnde se ubica exactamente. Si se posiciona en

10

75% se entregar una seal de salida de 0.9375 voltios y la seal de error, e, ser de 0.3125

voltios (15%).

La seal de control, u, corresponde al voltaje producido por el controlador para disminuir o

anular el error. Si la seal de error es positiva indica que la referencia es mayor que la salida

real, entonces el controlador coloca un voltaje positivo al motor para que contine girando

hasta minimizar o anular el error. Si por el contrario la seal de error resulta negativa indica

que la salida sobrepas la referencia entonces el controlador debe poner un voltaje negativo

para que el motor gire en sentido contrario hasta minimizar o anular el error.

Fig. 2. 1 Diagrama a bloques del sistema controlado

Fig. 2. 2 Diagrama de flujo para circuito simplificado

Algoritmo de funcionamiento

El diseo de este sistema electrnico debe respetar una cadena para su funcionamiento,

siendo la mostrada en la Fig. 2.3 el cual inicia obteniendo datos de las fotorresistencias (LDR)

los cuales son procesados por el sistema a base de 2 controladores PID los cuales, por

separado, se encargaran de controlar las planta A y B respectivamente para as terminar en el

movimiento del mdulo del panel solar.

11

Fig. 2. 3 Diagrama de flujo del proceso a realizar por el sistema

2.2 Especificaciones de diseo

El eje transversal que gua la base del panel solar (Vase Fig. 2.3) ha sido elaborado de una

barra de acero templado de con terminado en cromo al vanadio, ofreciendo una solidez

firme y esttica limpia con resistencia al oxido y corrosin.

Los soportes de la barra que funge como eje, as como de los soportes que rodean en l

mismo soportando el modulo han sido elaborados con acrlico de 1/4 color transparente, las

cuales dan la macicez esperada y reducen el peso (Vase Fig. B.11 en Anexo B).

El moto-reductor funge como convertidor inversamente proporcional entre las revoluciones y

el torque, reduciendo la cantidad de vueltas que genera el motor y convirtindola en una

cantidad menor de vueltas y a su vez aumentando la potencia para mover con mayor facilidad

12

los mdulos instalados. Se consider agregar engranes extras para la reduccin de velocidad

al moverse los mdulos.

El modulo fotovoltaico puede ser de diversas potencias, tensiones, formas y estructuras, para

lo cual el presente proyecto ha sido trabajado con un mdulo policristalino, el cual posee una

tensin de trabajo de 5 VDC y las siguientes caractersticas:

Tensin de trabajo: 5VDC

Potencia nominal mxima: 120mA

Tolerancia de poder 5%

Tensin mxima (VMP): 240v

Corriente mxima (IMP): 0.56

Voltaje en circuito abierto (VOC):22.5v

Corriente en corto circuito (ISC): 0.62

La sujecin de los diferentes componentes del sistema ha sido realizada mediante diferentes

materiales y accesorios, de los cuales podemos sealar como tornillos, cemento para acrlico

y pegamento. Poniendo a consideracin del instalador y del rea a posicionar los materiales

ms adecuados para su fijacin, poniendo a criterio la mxima duracin del equipo.

El movimiento del mdulo fotovoltaico mediante este seguidor solar especifico es un

movimiento angular en torno al eje de sujecin que mantiene al mdulo, por lo que este se

debe posicionar cuidadosamente centrado a la mitad para mantener un movimiento equilibrado

13

y correcto a la hora de posicionarse perpendicularmente hacia los rayos solares.(Mas

especificaciones detalladas en Anexo B)

Fig. 2. 4 Dibujo conceptual de la base para el seguidor de luz solar

14

2.3 Diseo detallado

Fig. 2. 5 Diagrama del circuito electrnico para una planta

A continuacin se presenta un informe sobre el diseo del controlador PID, se puede apreciar

en la Fig. 2.5, por el mtodo de LGR (Lugar geomtrico de las races). El diseo del

controlador presentado a continuacin tiene como objetivo mejorar la respuesta transitoria

de una planta el cual se puede apreciar mediante la grfica de la Fig. 2.7.

El modelo matemtico ser la funcin de transferencia del sistema donde se puede apreciar

la ecuacin (1) que es la ganancia que existe entre la entrada y salida del sistema producida

por el controlador PID.

G(s) Y(s)/R(s) (m/V)/s (1)

Hay dos formas de realizar el control PID, la primera es adicionandodos ceros en el eje real y

un polo en el origen y la segunda no tiene ceros pero si un polo en el origen.

La ecuacin del error es:

E(s) = -(1/s(1+G(s)H(s)) (2)

15

Donde:

G(s) = m/V (3)

H(s) = 1 (4)

Por lo tanto:

E(s) = 1/s(1+(m/v)/s) (5)

El error en estado estacionario es:

ess = lims0 sE(s) (6)

ess = lims0 s(1/s(1+((m/V)/s)) (7)

ess 0 (8)

El Lugar de las Races en la Fig. 2.6 nos muestra que con solo un controlador proporcional

nosotros podemos variar la rapidez de la respuesta del sistema, por lo cual la parte derivativa

tampoco ser indispensable.

Fig. 2. 6 Lugar geomtrico de las races

16

Comparador

Se puede apreciar que el voltaje de salida es igual a la diferencia de los voltajes de entradas,

que en nuestro caso sern la referencia y la salida.

Vo = Vr-Vy (9)

Control proporcional

Se puede apreciar que el voltaje de salida es igual al voltaje de entrada amplificado R2/R1

(39k/39k) veces, pero con polaridad inversa. Para corregir la polaridad se debe emplear

otro amplificador inversor, en cascada, con ganancia igual a 1.

Vo = - (39k/39k)Vi (10)

Control integrador y derivativo

Los valores de R y C para el control integral y el control derivativo dependern de los

parmetros Ti y Td. Para el circuito mostrado en la Fig. 2.5, el valor de Ti es aproximadamente

igual a RC y el valor de Td es tambin aproximadamente igual a RC.

Ti = (8k)(10nF) (11)

Td = (20k)(1nF) (12)

Amplificador de potencia

El controlador proporcional anlogo, basado en amplificadores proporcionales, genera un

voltaje proporcional al error donde la ganancia del controlador es:

Kp = (100K/1K) (13)

Esta seal de voltaje puede variar entre V y +V dependiendo de la magnitud y polaridad del

error. Esta seal no tendr la potencia necesaria para mover las plantas por lo que se hace

necesario colocar un amplificador de potencia, el cual se implementar con dos transistores

PNP (Tip32c vase Fig. D. 3 en Anexo D) y NPN (Tip31c vase Fig. D. 2 en Anexo D).

17

Fig. 2. 7 Respuesta del controlador PID propuesto

2.4 Resultados

Los resultados fueron favorables (Fig. 2.8 y Fig. 2.9 muestran el concepto isomtrico y la

versin fsica del mdulo ya terminado), no fueron totalmente correcto ya que tenemos que

considerar que hacer los clculos es hablar de un sistema ideal, al armar todo el modulo con

el circuito electrnico se tuvieron algunos problemas.

El funcionamiento del proyecto se puede apreciar en el siguiente url donde se hace una breve

explicacin.

https://youtu.be/JvP2Z_iAKZA

18

Fig. 2. 8 Visualizacin isomtrica de la base para el seguidor de luz

Fig. 2. 9 Vista real de la base terminada

19

2.5 Discusin de los resultados

Atributos

Un seguidor solar es una mquina autmata diseada por el hombre que cuenta con una parte

fija y otra mvil que dispone de una superficie de captacin solar lo ms perpendicular al sol

posible a lo largo del da y dentro de sus rangos de movimiento que le permiten aumentar la

eficiencia o rendimiento productivo a la pantalla fotovoltaica mediante su rea efectiva. Dicho

esto, y como todo en la ciencia y en la vida, tiene sus puntos a favor, as como sus contras

que se presentaran en lneas posteriores.

Una de las ventajas ms notables para un seguidor solar autmata es la incrementacin de

la eficiencia para la produccin de energa elctrica, postrando los mdulos fotovoltaicos

perpendiculares al sol el mayor tiempo posible para el mayor aprovechamiento del ciclo solar.

Tabla 2.- seguidor solar contra modulo fijo

Panel Fijo Seguidor Ganancia

Enero 3.2 3.9 22

Febrero 3.7 4.5 22

Marzo 4.6 5.8 26

Abril 5.6 7.3 30

Mayo 5.8 8.1 40

Junio 5.7 8.3 46

Julio 5.7 8.1 42

Agosto 5.3 7 32

Septiembre 5.3 7 32

Octubre 4.3 5.4 26

Noviembre 3.3 4.1 24

Diciembre 2.9 3.58 23

Todo el

ao

4.61 6.2 34

La tabla anterior muestra en esencia una comparativa breve entre la produccin solar de

energa mediante un mdulo fijo (Expresada en KWh/diaM2) y un mdulo de mismas

20

caractersticas pero con un seguidor solar agregado, obteniendo los respectivos porcentajes

de eficiencias contrastadas mensualmente.

El mantenimiento de este tipo de equipos es meramente mnimo, puesto que el motor y sus

componentes electrnicos, que puedan ser ms susceptibles a la lluvia e intemperie, se

encuentran protegidos por el modulo mismo y por el diseo de sus respectivos medios de

cuidado.

Asimismo, el equipo de investigacin objeta en el desarrollo del seguidor aqu expuesto, el

cual posee una ventaja competitiva en contraste con la mayora de otros seguidores en el

mercado, los cuales son programables para seguir una trayectoria con respecto del da, la hora

y la estacin del ao, en comparacin con el seguidor aqu presentado, el cual realiza puntos

de comparacin luminosa con respecto de la trayectoria del eje lineal al que obedece, llevando

a cabo pequeos movimientos bidireccionales que posicionan el rea efectiva de captacin en

el punto con mayor ndice luminoso.

Obstculos

El seguidor solar al cual objeta el presente documento posee ciertas caractersticas no muy

favorables para el correcto desempeo del mismo, para lo cual los desarrolladores consideran

que son desventajas aglomeradas que no pueden presentarse en situaciones comunes, sino

solo en situaciones especficas.

La primera desventaja que posee el seguidor solar aqu desarrollado es mediante la radiacin

difusa en das nublados, para lo cual el funcionamiento comparador del seguidor simplemente

ubicara el panel al mayor punto luminoso, no existiendo un claro panorama para ubicarlo en

algn modo de seguridad.

Por otra parte la desventaja con la cual todos los seguidores son afectados es la dependencia

de una fuente de poder, ya que el motor que se utiliza requiere la tensin y la corriente que

una fuente aparte, la cual si no funciona correctamente puede ocasionar problemas tcnicos.

21

3 Conclusiones

22

Despus de trabajar arduamente en el presente proyecto se puede concluir que los objetivos

marcados al inicio del trabajo se cumplieron de forma satisfactoria.

Se consigui la implementacin del sistema mecnico de un seguidor solar y con un diseo

elegante por las piezas de acrlico que lo conformaron pero a la vez flexibles.

Se logr un funcionamiento correcto, tanto en la parte electrnica como la mecnica que

contena piezas moldeadas y maquinadas; fabricadas y adaptadas por el mismo equipo de

investigacin, logrando que las piezas fueran de bajo costo pero con buena calidad.

23

4 Recomendaciones

24

Para la realizacin del seguidor solar proyectado y ejecutado por el equipo de investigacin,

fueron efectuados algunos bocetos a mano alzada que abrieron las expectativas y el anlisis

de reas de oportunidad para la mejora del diseo, mostrando problemas de distancias,

espacios y lmites de movimiento que llevan consigo tiempo y desgaste tanto de materiales

como de mano de obra al ser errores cometidos.

El desarrollo de todo trabajo de materiales debe de buscar ser realizado en talleres

educativos o pblicos donde se pueda contar con toda la herramienta ah facilitada y con toda

la asesora que pudiese ser requerida por el equipo desarrollador ya que los talleres de

maquinados industriales o tornos suelen tener precios muy elevados.

La parte terica puede desarrollarse aprovechando los recursos que emplean los docentes

de un instituto (universidad) y libros de bibliotecas escolares o pblicas.

25

Glosario

26

Seal de salida: es la variable que se desea controlar (posicin, velocidad, presin,temperatura, etc.). Tambin se denomina variable controlada.

Seal de referencia: es el valor que se desea que alcance la seal de salida.

Error: es la diferencia entre la seal de referencia y la seal de salida real.

Seal de control: es la seal que produce el controlador para modificar la variable controladade tal forma que se disminuya, o elimine, el error.

Seal anloga: es una seal continua en el tiempo.

Seal digital: es una seal que solo toma valores de 1 y 0. El PC solo enva y/o recibeseales digitales.

Conversor anlogo/digital: es un dispositivo que convierte una seal analgica en una sealdigital (1 y 0).

Conversor digital/anlogo: es un dispositivo que convierte una seal digital en una sealanalgica (corriente o voltaje).

Planta: es el elemento fsico que se desea controlar. Planta puede ser: un motor, un horno,un sistema de disparo, un sistema de navegacin, un tanque de combustible, etc.

Proceso: operacin que conduce a un resultado determinado.

Sistema: consiste en un conjunto de elementos que actan coordinadamente para realizar unobjetivo determinado.

Perturbacin: es una seal que tiende a afectar la salida del sistema, desvindola del valordeseado.

Sensor: es un dispositivo que convierte el valor de una magnitud fsica (presin, flujo,temperatura, etc.) en una seal elctrica codificada ya sea en forma analgica o digital.Tambin es llamado transductor. Los sensores, o transductores, analgicos envan, por loregular, seales normalizadas de 0 a 5 voltios, 0 a 10 voltios o 4 a 20 mA.

Sistema de control en lazo cerrado: es aquel en el cual continuamente se est monitoreandola seal de salida para compararla con la seal de referencia y calcular la seal de error, lacual a su vez es aplicada al controlador para generar la seal de control y tratar de llevar laseal de salida al valor deseado. Tambin es llamado control realimentado.

Sistema de control en lazo abierto: en estos sistemas de control la seal de salida no esmonitoreada para generar una seal de control.

27

Referencias bibliogrficas

28

Audesirk, T., Audesirk, G., Byers, B. (2008) Biologa La vida en la tierra. Edo. De Mxico:Prentice hall

Freema, Scott. (2008) Biologa. Madrid: Pearson Addison Wesley

Maden, S. (2008) biologa. D.F. Mc Graw hill.

Starr, C., Taggart, R. (2008) Biologa: La unidad y la diversidad de la vida. Queretaro.Cengage Learning Editores

Starr, C., Taggart, R., Evers, C, y Starr, L. (2009) Biologa: La unidad y la diversidad de lavida. Queretaro. Cengage Learning Editores.

Wwwticom. (2015). Wwwticom. Revisado 27 Mayo, 2015, dehttp://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm124-n.pdf

Wordpresscom. (2015). Wordpresscom. Revisado 27 Mayo, 2015, dehttps://kzcoaga.files.wordpress.com/2015/03/ras-0510-datasheet-pdf.pdf

Fairchildsemicom. (2015). Fairchildsemicom. Revisado 27 Mayo, 2015, dehttps://www.fairchildsemi.com/datasheets/TI/TIP32C.pdf

Fairchildsemicom. (2015). Fairchildsemicom. Revisado 27 Mayo, 2015, dehttps://www.fairchildsemi.com/datasheets/TI/TIP31A.pdf

Hamilton H., M., & F. Reinholtz, C. (2004). Trenes de engranes. En Mecanismos y dinmicade maquinaria (pgs. 279-310). Mxico D.F.: Limusa wiley.

Ogata, K. (2003). Diseo de sistemas de Control en el espacio de estados. EnIngeniera de Control Moderna. (pgs. 826-897). Espaa: PRENTICE HALL.

Smith, Carlos A. Corripio (1996). Control Automtico de Procesos. Teora y Prctica. LimusaNoriega Editores.

Ogata, Katsuhiko (1998). Ingeniera de Control Moderna. Tercera Edicin. Prentice-Hallhispanoamericana, S.A.

Franklin, Gene. Powell, David. Emami-Naeine, Abbas (1991). Control de Sistemas Dinmicoscon Retroalimentacin. Addison-Wesley Iberoamericana.

Chen,Chi-Tsong (1993). Analog & Digital. Control System Design. Saunders CollegePublishing. Hartcourt Brace Jovanovich College Publishers.

29

Anexos

30

Anexo A

31

Presupuesto de materiales

Tabla 3.- piezas de acrlicoCantidad Color Descripcin1 Transparente 33/4 x 6 x 1/41 Transparente 11 x 153/4 x 1/81 Negro 61/2 x 51/4 x 1/82 Transparente Bisagra de 11/21 Transparente Perico

Total $323MXN

Tabla 4.- componentes electrnicosDescripcin Cantidad Descripcin Cantidad1 F Capacitor 4 39K resistencia (1/4W) 410 resistencia (1/4W) 4 4 pin Terminal de bloque 1100K resistencia (1/4W) 2 Fotorresistencia 10M 4100K resistencia variable 6 LM324 opamp 310K resistencia (1/4W) 4 Motor (6v DC) 21K resistencia (1/4W) 8 SPDT relay (5v) 41N4004 Diodo 4 SPDT Switch 4270K resistencia (1/4W) 8 Tip31c NPN transistor 2

Tip32c PNP transistor 2Total $1,097.41MXN

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Anexo B

33

Tarjeta de circuito impreso

Fig. B. 1 Simulacin de montaje en PCB

Fig. B. 2 Obra a imprimir en PCB (lado de soldadura)

34

Fig. B. 3 Obra a imprimir en PCB (lado de componentes)

Especificaciones para el diseo de la base del seguidor de luz

Fig. B. 4 Base

35

Fig. B. 5 Laterales

Fig. B. 6 Lateral con salida para botn y cables de motores

36

Fig. B. 7 Base para motor A

Fig. B. 8 Base para engrane

37

Fig. B. 9 Base para panel solar

Fig. B. 10 Pieza Z

38

Fig. B. 11 Pieza Y

Fig. B. 12 Pieza M2

39

Fig. B. 13 Pieza JK

Plantillas y bocetos

Fig. B. 14 Plantilla para acrlico de 1/8" transparente

40

Fig. B. 15 Plantilla para acrlico de 1/4" transparente

Fig. B. 16 Plantilla para acrlico de 1/8" negro

41

Fig. B. 17 Boceto de la base y laterales

42

Fig. B. 18 Boceto de la base del primer motor y la pieza Z

43

Fig. B. 19 Boceto de la base para el engrane, piezas Y y M2

44

Fig. B. 20 Boceto de la base para el panel solar y pieza JK

45

Anexo C

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Desglosamiento del circuito electrnico

Fig. C. 1 Diagrama de sensores (Fotorresistencias)

Fig. C. 2 Amplificador operacional como sumador o comparador

47

Fig. C. 3 Controlador tipo P con amplificador operacional

Fig. C. 4 Controlador tipo I con amplificador operacional

Fig. C. 5 Controlador tipo D con amplificador operacional

48

Fig. C. 6 Amplificador operacional con inversor de ganancia 1 y amplificador de potencia con transistores

Fig. C. 7 Proteccin de motores con diodos, reley y botn de lmite

49

Anexo D

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Hoja de datos

Fig. D. 1 Amplificador operacional cudruple de baja potencia LM324

Fig. D. 2 Transistor NPN TIP 31c

51

Fig. D. 3 Transistor PNP TIP 32c

Fig. D. 4 Reley SPDT Ras0510 SunHold