Sistema Inteligente de Control de Posición para un Prototipo de Sistema Fotovoltaico Empleando Labview y C-DAQ

José A. Pérez Duarte, Juan C. González Islas, Armando Torres San Juan, Irbin O. Benítez Martínez,y Gildardo Godínez Garrido

Universidad Tecnológica de Tulancingo, Área de Electromecánica Industrial. Camino a Ahuehuetitla #301 Col. Las Presas, C.P. 43642, Tulancingo, Hidalgo, México. Tel & Fax: (+52 775) 755 8210

Email:jose.alfredo.perez.duarte@gmail.com,juanc.gonzalez@utecgo.edu.mx , ing.torres.arm@hotmail.com ,zurdo_1313@hotmail.com ,gogg_uteec@hotmail.com

RESUMENEn este proyecto se plantea el control de posición de un prototipo de sistema fotovoltaico, a través de la programación e ins-trumentación con Labview y C-DAQ, respectivamente. El sistema fotovoltaico debe estar orientado hacia la dirección que provea la mayor cantidad de irradiación solar, para ello, es necesario sensar dicha variable y así orientar el sistema en el sen-tido con mayores prestaciones energéticas. Para la etapa de sensado de la irradiación se utilizan 4 sensores LDR (del inglés Light Dependent Resistor) posicionados en la parte posterior, inferior, derecha e izquierda del prototipo, los cuales se conec-tan a las entradas analógicas del C-DAQ en el módulo NI 9219, dichas entradas se procesan en un VI de Labview, en donde el programa procesa la información y toma la acción de control necesaria para orientar el sistema hacia la posición deseada, esto a través del control de moto reductores conectados a las salidas digitales del C-DAQ con modulo NI 9403.

PALABRAS CLAVES:Control de posición, Sistema fotovoltaico, Energía solar, Irradiación solar

I. INTRODUCCIÓN

Las energías renovables han constituido una parte impor-tante de la energía utilizada por los humanos desde tiem-pos remotos, especialmente la solar, la eólica y la hidráu-lica. La navegación a vela, los molinos de viento o de agua y las disposiciones constructivas de los edificios para aprovechar la del sol, son buenos ejemplos de ello.

Hoy en día, se produce 91% de su energía utilizando combustibles fósiles, tales como el carbón, el gas y el petróleo. Esta dependencia hacia los combustibles deriva-dos de fósiles ha provocado con el paso del tiempo que la calidad del aire vaya disminuyendo, aunado a la contami-nación de ríos, mares y suelos nacionales, los cuales to-man parte de la responsabilidad del calentamiento global. (Magaña et al, 2010)

Nuestro país cuenta con un enorme potencial para un buen aprovechamiento de las energías renovables, si apo-yamos este potencial que poseemos podremos contribuir con la atenuación de los impactos ambientales ocasiona-dos por la producción, distribución y uso final de las for-mas de energía utilizadas convencionalmente.

En la actualidad, la mayoría de los sistemas fotovoltaicos que se instalan, son fijos o semifijos, lo cual implica que se mantenga una relación de posición entre el sol y los paneles por un lapso de tiempo relativamente corto, lo cual implica que la eficiencia de la generación de energía este supeditada a esa situación, el problema principal es la flexibilidad mecánica en la estructura del sistema de posi-cionamiento.

Con el sistema propuesto se plantea aumentar el tiempo de relación de posición entre el sol y los paneles de mane-ra automática y así aumentar las prestaciones energéticas del sistema. El sistema fotovoltaico es una tecnología, que sigue la trayectoria del sol como lo haría un girasol, cap-tando de este modo la máxima radiación solar durante el mayor tiempo posible. Está conformado básicamente por: una estructura de metal en la cual se puede montar el panel fotovoltaico usado para captar la radiación solar el mecanismo constituye por un reductor de velocidad aco-plado a un motor de bajo consumo de energía y un circui-to compuesto por componentes electrónicos de bajo costo, entre ellos LDR elementos fotosensibles por lo tanto son los más aptos para ejecutarla (estructura electrónica). Por ende el sistema fotovoltaico puede optimizar el aprove-chamiento de la energía no sólo en regiones con una larga duración de radiación solar sino en cualquier región.

II. DESARROLLOEl prototipo de sistema fotovoltaico está compuesto por el sistema mecánico, una celda fotovoltaica, la etapa de potencia, la etapa de control y comunicación y la platafor-ma de programación. La primera parte que se realizó del prototipo fue el sistema mecánico, mediante el uso de sistemas de engranes, rodamientos y una estructura hecha con madera. El material usado para la estructura fue deci-dido con base en los costos del mismo. En la figura 1 se muestra el sistema experimental completo.

Figura 1. Sistema experimental del control de posi-ción del prototipo de sistema fotovoltaico

Es necesario tener un perspectiva virtual del sistema, por ello del prototipo se realiza un diseño virtual y se controla virtualmente con una Interfaz Gráfica de Usuario (GUIDE), así mismo, se realiza un diseño del prototipo en CAD (del inglés Computer Design Added). En la figura 2 se ilustra el diseño del prototipo y la interfaz gráfica en la misma plataforma, a través de la interfaz se realiza el control virtual de la posición de los sistemas, cada uno de los sliders corresponde a un grado de libertad del sistema. y en la figura 3 se muestra el diseño realizado en CAD.

Figura 2. Diseño virtual e interfaz gráfica de usuario del prototipo de sistema fotovoltaico

Figura 3. Diseño en CAD del prototipo de sistema fotovoltaico

El sistema mecánico otorga la capacidad de posiciona-miento del mismo con respecto al sol. Para determinar la posición con mayor irradiación solar, se emplean 4 senso-res LDR ubicados en posiciones estratégicas, los cuales indirectamente permiten determinar la dirección de donde proviene mayor irradiación. Las señales provenientes de los sensores son las entradas del algoritmo del instrumen-to virtual que realiza el control de posición, dicho algorit-mo realiza el procesamiento de las señales y determina la acción de control de posicionamiento del sistema. En la figura 4 se muestra el panel frontal del instrumento virtual realizado para controlar el posicionamiento del sistema.

Figura 4. Panel frontal del instrumento virtual del control de posición del sistema.

La etapa de instrumentación y comunicación para la etapa de control, se instrumenta a través de un modulo C-DAQ, del cual se utilizan las entradas analógicas como adquisi-ción de las señales de los sensores LDR y las salidas digi-tales y analógicas para el control de los motores.

La corriente que demandan supera la otorgada por el C-DAQ y limita enormemente las prestaciones del sistema, por ello se utilizó una fuente externa y fue necesario el diseño de una etapa de opto acoplamiento, en la figura 5 se ilustra el circuito.

Figura 5. Diagrama de la etapa de acoplamiento del sistema

Los elementos de control que realizan el posicionamiento del sistema son los motores y es necesario que estos giren en ambos sentidos, por ello también la necesidad de im-plementar un circuito de cambio de giro, en este caso se utiliza un puente H. En la figura 6 se ilustra el circuito de control de giro.

+88.8

R1

220

R2

220

D11N4007

D21N4007

D31N4007

D41N4007

R3

220

R4

220

SW1

SW-SPST

SW2

SW-SPST

BAT15V

BAT25V

Q1TIP41

Q2TIP42

Q4

TIP42

Q5

TIP41

D1(K)

Q32N3904

Q6

2N3904

Figura 6. Circuito puente H para el control de giro de los motores del sistema

III. RESULTADOS

El sistema experimental desarrollado muestra un buen desempeño cuando las condiciones climáticas necesarias son provistas, fue probado en el prototipo y depende enor-memente del lugar en donde se realicen las pruebas. En la figura 7 se muestra el sistema experimental y todas las etapas que lo componen.

El control del sistema posiciona al sistema en la dirección deseada y se prueba que el sistema puede operar en modo manual y modo automático con las mismas prestaciones. El sistema experimental. El retardo mostrado por la inter-faz de comunicación no es significativo y las etapas de control, de potencia y de acoplamiento muestran un buen desempeño, es decir, el haber realizado dichas etapas en una PCB, maximiza enormemente las capacidades del sistema.

También se muestra una relación correspondiente entre el sistema experimental y el diseño virtual realizado, lo que permite discernir la viabilidad de simular un sistema antes

de implementarlo, con el fin de observar las prestaciones del mismo.

IV. CONCLUSIONES

En este proyecto se presentó el diseño e implementación del control de posición de un prototipo de sistema foto-voltaico, donde se desarrolló el sistema mecánico, se acopló un panel fotovoltaico a dicho sistema. Se realizo en diseño virtual del prototipo y se realizo el control vir-tual de la posición con una interfaz gráfica de usuario, en ese sentido también se realizo el diseño en CAD del sistema. Se diseño e instrumento la etapa de comunica-ción, control y acoplamiento con un C-DAQ, puente H y optoacopladores, respectivamente. Se realizó un instru-mento virtual empleando código G, para realizar el algo-ritmo de control de posición del sistema. Finalmente el sistema de control y posicionamiento se probó en el pro-totipo y se observaron buenas prestaciones bajo condicio-nes climáticas favorables.

V. AGRADECIMIENTOS

Los miembros de este proyecto expresan su agradeci-miento por asesoría y colaboración del Cuerpo Académi-co de Electromecánica Industrial del Área Electromecáni-ca Industrial de la Universidad Tecnológica de Tulancin-go.

VI. REFERENCIAS Y CITASBitter, Rick. (2007) LabVIEW : advanced programming techniques -- 2nd ed. CRC Press , Taylor Francis Group.

Del Río Fernández Joaquín., Shahll'am Shéirlat-Panahl., David Sarria Gandul., Anton Manuel Lazara (2013) Lab-VIEW Programación para Sistemas de Instrumentación (pags.350) México: Alfaomega

Magaña C. H. Ramírez R. J. I. y .Romero A. A de J. (2010). Diseño de un seguidor solar para eficientar la captación de la energía solar en los paneles fotovoltaicos, Instituto Tecnológico Superior de Arandas.

Richard Bitter, Taqi Mohiuddin, Matthew R. Nawrocki. KENNETH I. ASHLEY (2002). Analog Electronics with LabVIEW (pags. 432) Prentice Hall