ANALISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA...

UNIVERSIDAD MAYOR FACULTAD DE INGENIERIA

ANALISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA CELDAS FOTOVOLTAICAS

Proyecto de Titulación para optar al Título de

Ingeniero de Ejecución en Electrónica

ALEJANDRO EDUARDO FIGUEROA FERNANDEZ

SANTIAGO DE CHILE NOVIEMBRE 2010

ii

UNIVERSIDAD MAYOR FACULTAD DE INGENIERIA

ANALISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA CELDAS FOTOVOLTAICAS

Proyecto de Titulación para optar al Título de

Ingeniero de Ejecución en Electrónica

Alumno Alejandro Eduardo Figueroa Fernández Profesor Guía Renato Alberto Salinas Silva

Ingeniero Civil Electricista PhD

SANTIAGO DE CHILE NOVIEMBRE 2010

iii

RESUMEN

El presente trabajo de titulación orientado a eficiencia energética, se enfocó en

determinar la eficacia de un panel solar fotovoltaico móvil comparado con uno fijo,

logrando establecer las principales diferencias entre ambos sistemas, y verificando

ambas soluciones en términos de eficiencia energética.

El estudio se estructuró en seis capítulos. En el capítulo I se hace una introducción

general del tema a tratar, se plantean los Objetivos generales y específicos, así

como también la descripción y necesidad del tema en estudio. En el capítulo II se

hace una introducción al estado del arte, los antecedentes, conceptos básicos

sobre energía solar fotovoltaica, y todo lo existente en materia de seguidores

solares. En el capítulo III se realiza la selección del método de seguimiento,

describiendo brevemente el diseño de un prototipo y las correspondientes pruebas

realizadas para corroborar su funcionamiento, con datos obtenidos de mediciones

en terreno, lo que permitió validar y escoger el método de seguimiento definitivo

para materializar la solución. Consecuentemente en el capítulo IV, se implementó

el seguidor solar, acorde con los requerimientos de la empresa patrocinadora del

estudio. Culminando en un control de lazo abierto gobernado por un

microcontrolador sobre un actuador hecho con un motor CC, que posiciona el

panel solar realizando un seguimiento de la trayectoria del sol, con respecto al

plano terrestre.

En el capítulo V se efectúa un análisis final de los resultados, en el cual se realiza

una descripción del comportamiento de los datos teóricos y de los datos obtenidos

en terreno. Finalmente, en el capítulo VI se presentan las conclusiones y

sugerencias del estudio realizado para trabajos futuros en esta materia.

iv

ABSTRACT

The following degree dissertation on the subject of energy efficiency is focussed on

a static photovoltaic solar panel which served as the basis for the design and

creation of a solar panel which can move independently in order to maximise the

use of the sun during the day, and in so doing, establishing the main differences

between the two systems and comparing each solution in terms of energy

efficiency.

The study was structured in six chapters. Chapter 1 consists of a general

introduction to the subject at hand and outlines both the general and specific

objectives, as well as providing a description and the rationale for the subject of

this study.

Chapter 2 provides an introduction to the existing technology, the history, the basic

concepts of photovoltaic solar energy, and summarises the material that exists on

the subject of solar trackers.

Chapter 3 sets out the process of choosing the monitoring method, and briefly

describes the design of a prototype as well as the corresponding tests which were

carried out in order to assess its performance, using data obtained from field

measurements, which made it possible to choose and validate the definitive

monitoring method for the creation of this solution.

Chapter 4 described the solar tracker designed in accordance with the

requirements of the company sponsoring this study. This culminated in an open

loop control guided by a microcontroller on an actuator made with a CC motor

which positions the solar panel so that it tracks the sun‘s path in relation to the

earth‘s plane.

Chapter 5 consists of a final analysis of the results which describes the behaviour

of the theoretical data as well as the (empirical) data obtained as part of the study.

Finally, Chapter 6 presents the conclusions and some suggestions for future

research on this topic arising from this study.

v

Los barcos romanos se aproximaban lentamente por la mar comandadas por el general Marco Claudio Marcelo, para enfrentar a las tropas cartaginenses enviadas por Aníbal el Cartago; dirigiéndose a la península de la Ortigia, se vivía la segunda guerra púnica en el siglo III a.C. El objetivo: sitiar la ciudad de Siracusa para cortar suministros logísticos provenientes de las fuerzas cartaginesas. Siracusa hermosa ciudad localizada en lo que actualmente es Sicilia se encontraba completamente fortificada en la meseta de Epipolae, sus habitantes se preparaban para el conflicto armándose de todo tipo de artilugios dignos de la antigua Grecia, era un calido día del otoño europeo. La ardiente mañana se apaciguaba levemente por una brisa marina, la cual aprovechaban los romanos para inflar las colosales velas se sus embarcaciones. El temor y la adrenalina reinaban en todo el mediterráneo, se respiraba un aire colmado de incertidumbre y tensión, nadie sabía lo que acontecería, adempero cumplirían con su deber. A solo metros de las faldas de Siracusa las tropas romanas se disponían a desembarcar. Un grupo de Siracusanos se preparaban para hacer uso de una genial arma diseñada por el erudito Arquímedes. Espejos ustorios, construidos con bronce y dotados de un ingenioso sistema de seguimiento manual, orientaron los enceguecedores haces de luz provenientes de la gracia de Dios hacia las embarcaciones romanas, eran cientos de escudos prolijamente esculpidos, brillosos como la divina mirada del mismo astro rey, dirigieron sus incandescentes reflejos hacia los navíos desencadenando la ira de los dioses a través de un rayo de calor. Los romanos encandilados, sin entender comenzaban a sentir la fiebre de furia de aquella ingeniosa arma. Las velas comenzaron a humear, la temperatura se elevaba, sus comandantes retrocedían, el ardor raudo se manifestó de golpe en llamaradas que brotaban de las velas, el fuego se apoderó de las telas, las embarcaciones se quemaban, se manifestaba entonces el inexorable poder del Sol…

vi

AGRADECIMIENTOS

A mis padres Gracias por todo, han sentado los pilares fundamentales que permitieron la

formación de este profesional, les debo todo.

A Maidita

Porque este es el primer logro que tenemos como equipo, sólo es el comienzo…

Te correspondo lo sabes.

A mi hermana

Por sus consejos y apoyo en este difícil proceso.

A mis amigos Por todo el apoyo y las buenas vibras que me motivaron a cumplir esta etapa de

mi vida.

A Wamtech

Gracias por patrocinar este estudio, y permitir el logro de un sueño.

vii

INDICE

CAPITULO I…......................................................................................................... 1

INTRODUCCION Y OBJETIVOS………….............................................................. 1

1.1 ANTECEDENTES.......................................................................................... 1

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO...................................................................... 2

1.2.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................ 2

1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ................................................................... 3

1.3 NECESIDAD DEL TEMA EN ESTUDIO ........................................................ 3

1.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA EN ESTUDIO .............................................. 4

1.4.1 UTILIZACION DE UNA INSTALACION SOLAR FOTOVOLTAICA......... 5

1.4.2 BREVE EXPLICACION ACERCA DEL SOL........................................... 6

1.5 APORTES PERSONALES ............................................................................ 8

CAPITULO II…........................................................................................................ 9

ESTADO DEL ARTE……….. .................................................................................. 9

2.1 INTRODUCCION........................................................................................... 9

2.2 BREVE HISTORIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA SOLAR............. 10

2.2.1 RESUMEN Y EVOLUCION DE LA ENERGIA SOLAR FV.................... 13

2.2.2 TENDENCIAS, DESARROLLO, DESPLIEGUE Y ECONOMIA

ACTUALES PARA ENERGIA SOLAR FV...................................................... 15

2.3 FABRICACION FUNCIONAMIENTO Y UTILIZACION ............................... 16

2.3.1 ANTECEDENTES ................................................................................. 16

2.3.2 FABRICACION DE UN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO................... 17

2.3.3 FUNCIONAMIENTO DE LAS CELULAS FOTOVOLTAICAS................ 20

2.3.4 CLASIFICACION DE LOS PANELES SOLARES ................................. 20

2.4 SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR...................................................... 25

2.4.1 SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR ACEPTADOS POR EL IEEE. 27

2.4.2 ASPECTOS RELATIVOS A LA EFICIENCIA ENERGETICA................ 35

2.4.3 SEGUIDORES SOLARES DISPONIBLES EN EL MERCADO ............. 38

2.4.4 INVESTIGACION PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DE PANELES

SOLARES FOTOVOLTAICOS....................................................................... 39

viii

CAPITULO III…..................................................................................................... 50

SELECCION DEL METODO DE SEGUIMIENTO……... ....................................... 50

3.1 INTRODUCCION......................................................................................... 50

3.2 DISEÑO DEL PROTOTIPO Y PRIMERAS MUESTRAS ............................. 50

3.2.1 ANTECEDENTES ................................................................................. 50

3.2.2 DEFINIENDO EL SENSOR Y METODO............................................... 50

3.2.3 METODO DE LA INTEGRAL MOVIL PARA LOCALIZAR EL SOL ....... 52

3.2.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS ........................................................... 53

3.2.5 SOLUCION DEFINITIVA ELEGIDA PARA EL SEGUIMIENTO. ........... 56

3.2.6 ANTECEDENTES ................................................................................. 56

3.2.7 DIAGRAMA DEL SISTEMA DE CONTROL DE POSICION.................. 57

3.2.8 BLOQUE DE POTENCIA ...................................................................... 58

3.2.9 BLOQUE DE CONTROL....................................................................... 58

3.2.10 BLOQUE DEL SISTEMA MECANICO ................................................ 59

3.2.11 BLOQUE ENERGIA SOLAR ............................................................... 59

CAPITULO IV… .................................................................................................... 60

IMPLEMENTACION Y PUESTA EN MARCHA…….............................................. 60

4.1 INTRODUCCION......................................................................................... 60

4.2 DEFINIENDO EL EJE DE ELEVACION ...................................................... 60

4.2.1 CALCULO DE LAS COORDENADAS SOLARES................................. 61

4.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL .................................................................. 63

4.3.1 DIAGRAMA DE FLUJO......................................................................... 65

4.4 ESQUEMATICO .......................................................................................... 66

4.4.1 PROBLEMAS ENCONTRADOS ........................................................... 68

CAPITULO V…. .................................................................................................... 73

ANALISIS DE LOS RESULTADOS…………......................................................... 73

5.1 INTRODUCCION......................................................................................... 73

5.2 CONCEPTOS BASICOS SOBRE ENERGIA............................................... 73

5.3 CLASIFICACION DE LA ENERGIA............................................................. 76

5.3.1 SEGUN SU FORMA.............................................................................. 76

5.3.2 SEGUN SU FUENTE ............................................................................ 76

ix

5.4 ALMACENAMIENTO Y TRANSMISION DE ENERGÍA............................... 77

5.4.1 GENERALIDADES................................................................................ 77

5.4.2 ANTECEDENTES ................................................................................. 77

5.4.3 TRANSFORMACION DE ENERGIA SOLAR A ELECTRICA................ 78

5.4.4 LA BATERIA COMO ACUMULADOR................................................... 79

5.5 COMPORTAMIENTO TEORICO DEL PANEL SOLAR ............................... 81

5.5.1 RENDIMIENTO, PERDIDAS ANGULARES Y POR TEMPERATURA.. 81

5.5.2 SIMULACION DEL COMPORTAMIENTO DEL PANEL SOLAR........... 84

5.6 ANALISIS DE LOS RESULTADOS ............................................................. 87

5.6.1 DATOS DE MEDICIONES CONTROLADAS DE TERRENO................ 87

5.6.2 METODO Y PROCEDIMIENTO............................................................ 87

5.6.3 RESULTADOS...................................................................................... 88

5.6.4 ENERGIA REQUERIDA POR EL SISTEMA DE SEGUIMIENTO ......... 93

5.6.5 RENDIMIENTO DEL SISTEMA CONJUNTO........................................ 94

CAPITULO VI… .................................................................................................... 95

CONCLUSIONES……….. ..................................................................................... 95

6.1 PRELIMINARES .......................................................................................... 95

6.2 CONCLUSIONES OBTENIDAS................................................................... 95

6.2.1 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE MECANICO........................ 95

6.2.2 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE ELECTRICO....................... 95

6.2.3 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE ECONOMICO..................... 96

6.3 CONCLUSIONES GENERALES ................................................................. 97

6.4 TRABAJO FUTURO .................................................................................... 98

6.4.1 ASPECTOS A CONSIDERAR .............................................................. 98

6.4.2 SUGERENCIAS DE LINEAS DE INVESTIGACION PARA FUTUROS

TRABAJOS EN ESTA MATERIA ................................................................... 99

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................... 115

ANEXOS........... .................................................................................................. 118

ANEXO Nº 1..... ................................................................................................... 119

GLOSARIO DE TERMINOS................................................................................ 119

ANEXO Nº 2….. .................................................................................................. 127

x

CODIGO FUENTE DE LA MACRO “INTEGRAL MOVIL” DESARROLLADA EN

VBA PARA EXCEL.............................................................................................. 127

ANEXO Nº 3….. .................................................................................................. 129

LISTADO DE MUESTRAS OBTENIDAS CON SENSOR ................................... 129

ANEXO Nº 4….. .................................................................................................. 138

DESCRIPCION DE LA TECNOLOGIA................................................................ 138

ESQUEMA DE CONTROL........................................................................... 150

DESCRIPCION DEL ACTUADOR Y ESTRUCTURA .................................. 159

ANEXO Nº 5..... ................................................................................................... 162

MEDICIONES DEL PANEL FIJO Y MOVIL PARA ANALISIS ............................. 162

ANEXO Nº 6….. .................................................................................................. 175

PROGRAMA DESARROLLADO EN VBA PARA REALIZAR ANALISIS DE LOS

DATOS OBTENIDOS.......................................................................................... 175

ANEXO Nº 7..... ................................................................................................... 179

COSTOS ESTIMADOS DEL PROTOTIPO ......................................................... 179

ANEXO Nº 8….. .................................................................................................. 165

DESARROLLOS FUTUROS E INVESTIGACION PARA LA ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA................................................................................................. 165

xi

INDICE DE FIGURAS

Figura 1.4.1 Esquema general de una instalación solar fotovoltaica....................... 5

Figura 1.4.2 Esquema de conexión y utilización de la ESFV .................................. 6

Figura 1.4.3 Fotografía de sol durante el ciclo solar diario ...................................... 8

Figura 2.3.1 Proceso de fabricación de paneles solares fotovoltaicos .................. 18

Figura 2.3.2 Células solares multi y monocristalinas respectivamente ................. 19

Figura 2.3.3 Paneles solares fotovoltaicos, multi y monocristalinos

respectivamente .................................................................................................... 19

Figura 2.3.4 Funcionamiento de los paneles Tándem........................................... 22

Figura 2.3.5 Paneles con sistema de concentración ............................................. 24

Figura 2.3.6 Teja solar .......................................................................................... 24

Figura 2.3.7 Panel de dos caras............................................................................ 25

Figura 2.4.2 Eclíptica del Sol en invierno y verano................................................ 29

Figura 2.4.3 Sistema de seguimiento pasivo, con actuador SMA ......................... 33

Figura 2.4.4 Seguidor pasivo, visto desde arriba .................................................. 34

Figura 2.4.5 Seguidor pasivo con paneles FV....................................................... 34

Figura 2.4.6 irradiancia solar en la tierra, expresada en W/m².............................. 36

Figura 2.4.7 Esquema de una célula solar construida con materiales alternativos al

Silicio..................................................................................................................... 42

Figura 2.4.8 Células solares de plástico basadas en tecnología DSC .................. 43

Figura 2.4.9 Matrices de alambre de polímero y silicio ......................................... 44

Figura 2.4.10 Matrices de alambre de polímero y silicio ....................................... 45

Figura 2.4.11 Pyron Solar Triad ............................................................................ 46

Figura 2.4.12 Nueva capa de material antirreflectante.......................................... 48

Figura 3.2.1 Circuito esquemático del sensor ....................................................... 51

Figura 3.2.2 Mosfet que habilita el sensor durante el muestreo............................ 51

Figura 3.2.3 Detalle del prototipo con sensor de luminosidad............................... 52

Figura 3.2.4 Muestras de luminosidad captada un día soleado ............................ 54

Figura 3.2.5 Muestras de luminosidad captada un día nublado ............................ 55

Figura 3.2.6 Diagrama Conceptual del Sistema de control de posición ................ 57

Figura 3.2.7 Diagrama de bloques de interconexión física.................................... 57

xii

Figura 4.2.1 Eje de elevación del panel, 3 elevaciones durante el año................. 62

Figura 4.3.1 Eje de recorrido del panel, el seguimiento se realiza 5º cada 20min 64

Figura 4.4.1 Esquemático del circuito de control................................................... 66

Figura 4.4.2 Vista superior PCB prototipo ............................................................. 67

Figura 4.4.3 Vista inferior PCB prototipo ............................................................... 67

Figura 4.4.4 Componentes agregados, para mejorar el circuito............................ 69

Figura 4.4.5 Interruptor Magnético utilizado para los límites Este Oeste .............. 70

Figura 4.4.6 Vista superior PCB producto final...................................................... 71

Figura 4.4.7 Vista inferior PCB producto final........................................................ 71

Figura 4.4.8 Secuencia de fotos, del seguidor solar instalado .............................. 72

Figura 4.4.9 Panel fijo y con seguidor solar .......................................................... 72

Figura 5.4.1 Relación amperios hora en una batería ............................................ 79

Figura 5.5.2 Curva teórica de potencia instantánea por m² con panel fijo............. 85

Figura 5.5.3 Curva teórica de potencia instantánea por m² con panel móvil ......... 85

Figura 5.5.4 Comparación teórica de las curvas de energía ................................. 86

Figura 5.6.1 Curva real de potencia instantánea obtenida con panel fijo .............. 91

Figura 5.6.2 Curva real de potencia instantánea obtenida con panel móvil .......... 91

Figura 5.6.3 Comparación empírica de las curvas de energía .............................. 92

Figura 6.4.1 Lentes de Fresnel............................................................................ 100

Figura 6.4.2 Central Termo solar......................................................................... 101

Figura 6.4.3 planta Solar Termoeléctrica mediante motores Stirling, con seguidor

de dos ejes.......................................................................................................... 103

Figura 6.4.4 Seguidor olar realimentado con sensor óptico infrarrojo ................. 104

Figura 6.4.5 Topología clásica y empleada para el sistema solar fotovoltaico.... 105

Figura 6.4.6 Panel solar híbrido, dotado de serpentín con refrigerante y PT-100

sensor de Tº ........................................................................................................ 106

Figura 6.4.7 Solución sugerida para combatir las pérdidas por suciedad ........... 108

Figura 6.4.8 Multiplicador de tensión con capacitores para fuente de corriente

continua............................................................................................................... 110

Figura 6.4.9 Supercapacitores, no contaminantes, con mayor vida útil que las pilas

/ baterías ............................................................................................................. 114

xiii

Figura 7.4.1 Modelo simplificado del circuito de una célula solar........................ 139

Figura 7.4.2 Relación voltaje corriente característica de las células solares....... 140

Figura 7.4.3 Curva características del producto voltaje corriente de una Célula

Solar FV .............................................................................................................. 141

Figura 7.4.4 Diagrama de bloques del acelerómetro........................................... 152

Figura 7.4.5 Diagrama de bloques del RTC ........................................................ 153

Figura 7.4.6 Diagrama de bloques de la memoria FLASH .................................. 154

Figura 7.4.7 Diagrama de bloques del GPS........................................................ 155

Figura 7.4.8 Diagrama de bloques del Microcontrolador ATmega 168 ............... 157

Figura 7.4.9 Esquemático representativo del puente H L293B ........................... 158

Figura 7.4.10 Configuración del LM 317 como limitador de corriente ................. 159

Figura 7.4.11 Vista superior de la estructura....................................................... 160

Figura 7.4.12 Vista lateral de la estructura.......................................................... 160

Figura 7.4.13 Soporte de la estructura ................................................................ 161

Figura 7.4.14 Actuador con caja para motor CC ................................................. 161

Figura 8.4.1 Laboratorio de Ensayos de Módulos Fotovoltaicos (LEMF) ............ 166






Figura 8.4.7 Vanguard I....................................................................................... 170

Figura 8.4.8 Arbol fotovoltaico en Gleisdorf, Alemania........................................ 171

Figura 8.4.9 Tecnología solar de película delgada.............................................. 175

Figura 8.4.10 Inauguración del Laboratorio UPV ................................................ 177

xiv

INDICE DE TABLAS Tabla 1 Rendimiento de los paneles según material de fabricación..................... 23

Tabla 2 Necesidades de superficie de tierra para requerimiento energético......... 37

Tabla 3 Equivalencia de unidades energéticas ..................................................... 37

Tabla 4 Algunos seguidores solares disponibles en el mercado........................... 38

Tabla 5 Tabla comparativa de los diferentes tipos de acumulador........................ 81

Tabla 6 Potencia instantánea obtenida por metro cuadrado en teoría .................. 84

Tabla 7 Comparación entre ambos sistemas, panel fijo y móvil............................ 88

Tabla 8 Promedio de energía obtenida en un día soleado con panel fijo y móvil.. 89

Tabla 9 Promedio de energía obtenida en un día soleado con panel fijo y móvil.. 90

Tabla 10 Energía requerida por el seguidor solar ................................................. 93

Tabla 11 Energía utilizada por el seguidor expresada en porcentaje.................... 93

Tabla 12 Ganancia real obtenida con el sistema de seguimiento ......................... 93

Tabla 13 Rendimiento sistema conjunto ............................................................... 94

1

CAPITULO 1 CAPITULO I INTRODUCCION Y OBJETIVOS .

1.1 ANTECEDENTES La energía solar ha cobrado una importancia trascendental en las últimas

décadas a nivel mundial. Los diversos acontecimientos a lo largo del planeta,

tales como el calentamiento global, la contaminación, escasez de recursos no

renovables, la gran demanda energética de los últimos años, o simplemente

aquellos lugares que no poseen suministro eléctrico, ya sean 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 eólica, bio-combustibles, y energía solar. Ésta

última se utiliza para generar energía térmica o eléctrica, pero el coste es

relativamente alto al momento de satisfacer demandas eléctricas con paneles

solares, producto de varios factores entre los cuales destacamos el elevado precio

del panel solar fotovoltaico.

Generalmente en una instalación solar inmóvil, se utiliza más de un panel para

aprovechar al máximo la energía proveniente del sol durante el día, incluso en

algunos casos se instalan entre dos a tres paneles con diferentes inclinaciones, lo

que fehacientemente implica más gastos en el montaje. Por consiguiente las

soluciones tecnológicas en este campo, se han centrado en el uso de paneles

móviles para poder seguir el sol a lo largo del día, como medida para contrarrestar

el desplazamiento solar con respecto al panel, y de esta manera aprovechar de

mejor forma el ciclo solar diario.

Un panel solar fotovoltaico, genera una potencia eléctrica aproximadamente

proporcional a la luz incidente en forma directa, del mismo modo, la cantidad de

energía entregada por este sistema será en gran medida proporcional al área de

los paneles, por lo tanto, cuando el sol cambia su posición con respecto a los

paneles, éstos entregarán menor cantidad de energía debido a la falta de luz

incidente en forma directa. A partir de aquel instante los paneles funcionan sólo

con la luminosidad circundante y la energía generada comienza a disminuir hasta

2

tornarse insuficiente para la carga que depende de ella. Actualmente este

inconveniente se soluciona agregando mayor cantidad de paneles solares, para

lograr mantener una energía constante en la carga, pese a la poca luminosidad

como efecto del desplazamiento solar. Sin embargo, el costo de un panel solar es

extremadamente elevado, lo que representa un inconveniente al momento de

querer establecer soluciones energéticas con este tipo de sistema. Por ejemplo un panel solar puede cargar perfectamente una batería CC,

siempre y cuando el voltaje entregado por el panel sea superior al de la batería.

La existencia de una diferencia de potencial en una dirección permite este

proceso. Sin embargo, cuando el sol se desplaza con respecto a los paneles,

éstos no logran alcanzar la tensión necesaria para cumplir lo anterior.

En consecuencia, aquí nace la necesidad de un estudio de eficiencia

energética, que permita demostrar con datos experimentales, la justificación del

uso de un seguidor solar (suntracker1) como solución económica al momento de

utilizar energía solar. Se pretende concluir la conveniencia del uso de un seguidor

solar el cual permitiría aprovechar al máximo el paso solar durante el día, y por lo

tanto ahorrar el número de paneles solares a emplear en un consumo energético

determinado.

1.2 OBJETIVOS DEL PROYECTO

1.2.1 OBJETIVO GENERAL Diseño y construcción de un seguidor solar para celdas fotovoltaicas como unidad

de producción, para comprobar el mejoramiento de la eficiencia energética de un

panel solar, utilizando datos obtenidos a partir de mediciones controladas de

terreno.

1 Suntracker del Inglés Sun que significa Sol y Tracker que significa seguidor.

3

1.2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.2.2.1 Analizar la información necesaria relacionada con el tema en estudio y

asimilar los conceptos teóricos y prácticos que se requieran para su

desarrollo.

1.2.2.2 Seleccionar el método para seguimiento solar.

1.2.2.3 Diseño del circuito de control que se encargue de generar las señales de

control necesarias que requiere el actuador para mover el panel.

1.2.2.4 Implementar experimentalmente el prototipo, para la obtención de datos.

1.2.2.5 Diseño y construcción del actuador, el cual será el encargado de

posicionar el panel solar según las coordenadas enviadas por el circuito

de control.

1.2.2.6 Análisis de los resultados, para comparar solución propuesta versus un

panel normal exento de tecnología de seguimiento solar.

1.3 NECESIDAD DEL TEMA EN ESTUDIO Este trabajo de titulación ha sido realizado en base al requerimiento de la

empresa Wireless and Mobile Technologies (WAMTECH2), la que se especializa

en soluciones de conectividad remota, comunicaciones M2M3 y servicios de

telemetría. La tecnología M2M permite la comunicación de equipos en terreno con

sus centros de información, equipos en distintos lugares, y con personas a través

de dispositivos de comunicación personal, de forma organizada, y en tiempo real.

Muchos de estos equipos se encuentran en lugares que no poseen suministro

eléctrico, ya sea por razones geográficas o por elevados costos de inversión.

Actualmente se encuentran energizados con baterías, las que son cargadas

2 Empresa Wamtech del rubro de las telecomunicaciones, especializada en soluciones de conectividad inalámbrica www.wamtech.com 3 M2M del Inglés (Machine to Machine) que engloba la automatización de los procesos de comunicación entre máquinas, (Mobile to Machine) entre dispositivos móviles y máquinas, y (Man to Machine) entre hombres y máquinas.

4

permanentemente con paneles solares fotovoltaicos. Los paneles suministran la

energía necesitada, sin embargo, la transición del sol durante el día implica que el

panel sólo entregará su máxima potencia o aquel requerimiento, justo cuando el

sol cruce enfrente de éste. Por esta razón se emplea un panel

sobredimensionado en potencia, o varios paneles solares que permitan

compensar esta situación, para poder obtener la potencia eléctrica necesitada en

las horas de menor sol. Por consiguiente se elevan los costos, ya que el precio

del panel es directamente proporcional a la potencia que genera.

En consecuencia, WAMTECH requirió de un estudio de eficiencia energética,

el que se manifestó a través de esta tesis. La cual permite demostrar con datos

experimentales, que el uso de un seguidor solar es una medida económica

adecuada en la utilización de energía solar, llegando incluso a considerar la

fabricación de éste, tanto como producto independiente o como solución a

incorporar en los servicios que ofrece ésta compañía, para disminuir el número de

mantenimientos en terreno durante el año, y la cantidad de paneles solares a

emplear, implicando con esto una reducción considerable de los costos asociados,

por lo que se podría recuperar la inversión inicial en menor tiempo, sin embargo,

esto se tiene que investigar. Cabe mencionar que, la falta de seguidores solares

en Chile, como un producto comercial, motivó la necesidad del presente estudio

con su correspondiente Investigación y Desarrollo, lo que sin lugar a dudas sitúa a

la empresa WAMTECH como precursor de este mercado a nivel nacional.

1.4 DESCRIPCION DEL SISTEMA EN ESTUDIO Un panel solar fotovoltaico, es el elemento encargado de captar la energía del sol

y de transformarla en energía eléctrica, esto se logra gracias al principio

fotovoltaico4. La energía eléctrica puede ser usada en diferentes aplicaciones, sin

embargo, asociado a los paneles existen otros componentes que se utilizan en las

instalaciones como elementos de seguridad o que amplían las posibilidades del

uso de la instalación (ver Fig. 1.4.1).

4 El detalle de éste y otros principios serán hechos en el capítulo 2 y 6 de este documento.

5

Figura 1.4.1 Esquema general de una instalación solar fotovoltaica

Fuente: Elaboración propia (año 2009)

1.4.1 UTILIZACION DE UNA INSTALACION SOLAR FOTOVOLTAICA Los componentes esenciales de una instalación fotovoltaica son:

♦ Panel solar fotovoltaico: El panel solar fotovoltaico es el componente esencial en una instalación de

este tipo, gracias al principio fotovoltaico, convierte le energía entregada por

el sol, en energía eléctrica.

♦ Sistema de carga de batería y regulador de voltaje: Es el elemento que regula la inyección de corriente desde los paneles a la

batería. El regulador interrumpe el paso de energía cuando la batería se

encuentre totalmente cargada evitando así los negativos efectos derivados

de una sobrecarga. En todo momento el regulador controla el estado de

carga de la batería para permitir el paso de energía eléctrica proveniente de

los paneles cuando ésta empieza a bajar.

♦ Banco de baterías: Almacena la energía de los paneles para los momentos en que no hay sol,

o para los momentos en que las características de la energía proporcionada

por los paneles no es suficiente o adecuada para satisfacer la demanda

(falta de potencia al atardecer, amanecer, días nublados). La naturaleza de

la radiación solar es variable a lo largo del día y del año, la batería es el

BANCO DE BATERIAS

SISTEMA DE CARGA DE BATERIA Y

REGULADOR DE VOLTAJE

PANEL SOLAR

CARGA SOL

6

elemento que solventa este problema ofreciendo una disponibilidad de

energía de manera uniforme durante todo el año.

♦ Inversores (opcionales): El elemento que transforma las características de la corriente de continua a

alterna. La mayoría de los aparatos eléctricos funcionan con corriente

alterna y tanto los paneles como las baterías suministran energía eléctrica

en forma de corriente continua. Es por ello que se hace necesario este

elemento que modifique la naturaleza de la corriente y la haga apta para su

consumo por muchos aparatos.

La figura 1.4.2 muestra el conexionado característico de una instalación solar

fotovoltaica.

Figura 1.4.2 Esquema de conexión y utilización de la ESFV

Fuente: http://saecsaenergiasolar.com/fotovoltaico/introduccion/

1.4.2 BREVE EXPLICACION ACERCA DEL SOL El Sol es el cuerpo más importante en nuestro sistema solar. Es el objeto

más grande y contiene aproximadamente el 98% de la masa total del sistema

solar. Se requerirían ciento nueve Tierras para completar el disco solar (visto

como un plano), y su interior podría contener más de 1.3 millones de Tierras. La

capa exterior visible del Sol se llama la fotosfera y tiene una temperatura de 6,000°

C (11,000° F). Esta capa tiene una apariencia manchada debido a las turbulentas

erupciones de energía en la superficie.

7

Se formó hace unos 4500 millones de años a partir de nubes de gas y polvo que

contenían residuos de generaciones anteriores de estrellas. Gracias a la

metalicidad de dicho gas, de su disco circumstelar surgieron, más tarde, los

planetas, asteroides y cometas del Sistema Solar. En el interior del Sol se

producen reacciones de fusión en las que los átomos de hidrógeno se transforman

en helio, produciéndose la energía que irradia. Actualmente, el Sol se encuentra

en plena secuencia principal, fase en la que seguirá unos 5000 millones de años

más quemando hidrógeno de manera estable.

La energía solar se crea en el interior del Sol. Es aquí donde la temperatura

(15.000.000° C; 27.000.000° F) y la presión (340 mil millones de veces la presión

del aire en la Tierra al nivel del mar) son tan intensas que se llevan a cabo las

reacciones nucleares. Estas reacciones causan núcleos de cuatro protones ó

hidrógeno para fundirse juntos y formar una partícula alfa ó núcleo de helio. La

partícula alfa tiene cerca de 0,7% por ciento menos masa que los cuatro protones.

La diferencia en la masa es expulsada como energía y es llevada a la superficie

del Sol, a través de un proceso conocido como convección, donde se liberan luz y

calor. La energía generada en el centro del Sol tarda un millón de años para

alcanzar la superficie solar. Cada segundo se convierten 700 millones de

toneladas de hidrógeno en cenizas de helio. En el proceso se liberan 5 millones de

toneladas de energía pura; por lo cual, el Sol cada vez se vuelve más ligero.

El sol aparentemente ha estado activo por 4,600 millones de años y tiene

suficiente combustible para permanecer activo por otros cinco mil millones de años

más. Al fin de su vida, el Sol comenzará a fundir helio con sus elementos más

pesados y comenzará a hincharse, por último será tan grande que absorberá a la

Tierra. Después de mil millones de años como gigante rojo, de pronto se colapsará

en una enana blanca; será el final de una estrella como la conocemos. Puede

tomarle un trillón de años para enfriarse completamente.

8

Figura 1.4.3 Fotografía de sol durante el ciclo solar diario

Fuente: http://www.educima.com

1.5 APORTES PERSONALES El desarrollo del presente trabajo de titulación, pretende contribuir al estado del

arte de mecanismos para seguimiento solar. Los aportes personales son los

siguientes:

♦ Diseño y construcción del circuito de control, el cual se encargue de

controlar la posición del panel solar en un solo eje, mediante un actuador.

♦ Análisis de los resultados para comprobar el mejoramiento de la eficiencia

energética.

♦ Realizar la indagación del estado del arte correspondiente a los diferentes

mecanismos existentes para seguimiento solar, con sus respectivas

técnicas y tecnología asociada en dichos dispositivos.

♦ Asistencia y apoyo en todas las etapas del proceso conjunto que implica

mediciones, ensamblado, conexionado, diseño, simulaciones, análisis y

trabajo en terreno, para las distintas situaciones que así lo requieran, en

pos del objetivo planteado. Realizando un trabajo en equipo de cooperación

mutua entre el autor del presente trabajo y la empresa, contribuyendo con

esto a fomentar la relación universidad-empresa.

9

CAPITULO 2 CAPITULO II ESTADO DEL ARTE .

2.1 INTRODUCCION Desde la antigüedad, el Sol ha tenido una repercusión influyente en el

comportamiento místico del hombre. Importantes civilizaciones llegaron a rendirle

culto incorporándolo como una deidad trascendental en sus creencias religiosas.

Fue venerado a lo largo de la historia en muchas culturas, como la egipcia, la

incaica, la china, la griega o en religiones como la hinduista. El culto al Sol dio

origen al henoteísmo que mas tarde sentaría las bases del monoteísmo.

Su importancia como regulador climático, ha permitido el desarrollo de aspectos

esenciales para la formación y conservación de la vida. Los que de alguna u otra

manera se han manifestado en la agricultura, arquitectura, iluminación solar,

climatización, y producción de energía.

El principio fotovoltaico fue descubierto por el físico francés Edmund Becquerel en

1839 al iluminar el electrodo de una célula electrolítica con electrolito poco

conductor. Durante los años 1880, las primeras células fotovoltaicas eran

fabricadas con Selenio y solamente conseguían entre el 1-2% de eficiencia de

conversión. Los principios cuánticos desarrollados en los años 1920 y 30,

fundamentaron el presente modo de entender el fenómeno fotovoltaico.

Durante 1918 el científico polaco Jan Czochralski realizó uno de los mayores

avances, que posibilitó en la década 1940-50 la obtención de mono cristales de

silicio (Si) con la suficiente pureza para el desarrollo de semiconductores, que

dieron origen a las células solares, transistores y diodos, los cuales se utilizan

hasta nuestros días.

Con respecto al estado del arte de este capítulo, se divide en tres partes; la

primera, considera la historia, evolución y tendencias del uso de energía solar

10

como precursor para la producción de energía fotovoltaica, en la segunda parte se

presentan conceptos generales de fabricación y utilización relacionados con la

energía solar fotovoltaica, finalmente se expone un resumen de los principales

mecanismos y sistemas de seguimiento solar aceptados por el IEEE5 (Instituto de

Ingenieros Eléctricos y Electrónicos).

El presente capítulo aborda los siguientes aspectos: ♦ Entrega terminología básica relacionada con la utilización de energía

proveniente del sol, para la generación de energía eléctrica.

♦ Incluye una breve historia del origen y evolución de la producción de

energía solar.

♦ Trata aspectos relativos a la arquitectura y clasificación de los sistemas de

energía solar.

♦ Describe la estructura de un sistema para generación de energía solar.

♦ Presenta una muestra de las aplicaciones que tiene la energía solar hoy en

día.

2.2 BREVE HISTORIA DE LA PRODUCCION DE ENERGIA SOLAR Los antiguos griegos y romanos vieron grandes beneficios en lo que ahora

se conoce como el diseño solar pasivo. Adaptaron la arquitectura para hacer uso

del sol, utilizando la capacidad de éste, para obtener luz y calor en los espacios

interiores de una casa. El filósofo griego Sócrates, escribió, "En las casas

orientadas hacia el sur, el sol penetra durante el invierno”. El avanzado arte e

ingeniería de los romanos, permitió construcciones situadas cara al sol, para

mantener el calor del sol de invierno. Mediante el uso de la energía del sol, los

griegos y los romanos compensaron la necesidad de tener que quemar madera,

cuando ésta escaseaba.

Auguste Mouchout, inventor del primer motor de energía solar activa, puso en tela

de juicio la creencia generalizada de que los combustibles fósiles abastecerían la

Revolución Industrial en el siglo XIX. Mouchout anunció proféticamente, “Europa

5 Institute of Electrical and Electronic Engineers

11

ya no se encuentra con los recursos necesarios, para satisfacer la prodigiosa

industria en expansión, el Carbón sin duda se acabará, ¿Qué es lo que va a hacer

entonces la industria?”. En 1861, Mouchout desarrolló una máquina de vapor

alimentado exclusivamente por el Sol. Sin embargo, su elevado coste junto con la

caída de los precios del carbón Inglés, condenaron su invención para convertirse

en una nota al pie de página en la historia de la energía.

Sin embargo, la energía solar continuó intrigando y atrayendo a los científicos

europeos durante el siglo XIX. Los científicos desarrollaron grandes colectores en

forma de cono que podían hervir el amoníaco para realizar el trabajo de la

locomoción y la refrigeración. Francia e Inglaterra brevemente tuvieron la

esperanza de que la energía solar pudiera abastecer las operaciones de su

creciente imperio en las soleadas colonias de África y Asia Oriental.

En 1880, Charles Fritts inventó las células solares térmicas, que fueron después

usadas en los paneles para calentadores y otros dispositivos.

En los Estados Unidos, el sueco John Ericsson lideró los esfuerzos por aprovechar

la energía solar. Se diseñó un colector parabólico, tecnología que funcionaría un

centenar de años más tarde en el mismo diseño básico.

La energía solar podría presumir de pocas grandes ganancias a través de la

primera mitad del siglo XX, aunque nunca ha desaparecido por completo de la

civilización. De hecho, Albert Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de

física en 1921, por sus investigaciones sobre el efecto fotoeléctrico, un fenómeno

esencial para la generación de electricidad a través de células solares.

Unos 50 años antes, William Grylls Adams había descubierto que cuando la luz

brillaba sobre el selenio, el material se llenaba de electrones, creando así la

electricidad.

En 1953, en Bell Laboratories (en la actualidad los laboratorios de AT & T), los

científicos Gerald Pearson Daryl Chapin y Calvin Fuller desarrollaron la primera

célula solar de silicio capaz de generar una corriente eléctrica medible. El New

York Times informó el descubrimiento como "el comienzo de una nueva era,

conduciendo eventualmente a la realización del aprovechamiento de la ilimitada

energía del sol para los usos de la civilización."

12

En 1956, las células solares fotovoltaicas, estaban lejos de ser económicamente

prácticas. La electricidad procedente de las células se vendía a unos 300 dólares

el Watt. (En comparación, con las tarifas actuales de mercado que están alrededor

de 5 dólares el Watt.). La carrera espacial, y la guerra fría durante la década de

1950 y 60 dio oportunidad para el progreso de la energía solar, puesto que, los

satélites, y aviones utilizan paneles solares para la producción de electricidad.

No fue hasta el 17 de octubre de 1973 que saltó a la prominencia la investigación

de la energía solar. El embargo petrolero árabe manifestó el grado en que la

economía occidental depende de un flujo fiable y barato de petróleo. Como los

precios del petróleo casi se duplicaron durante la noche, los líderes se

desesperaron para encontrar una forma de reducir esta dependencia. Además de

aumentar las normas de la economía de combustible de automóviles y la

diversificación de fuentes de energía, el gobierno de los EE.UU. realizó una gran

inversión en la célula solar que Bell Laboratories había producido en 1953.

La esperanza en la década de 1970 fue que a través de la inversión masiva en las

subvenciones y la investigación, la energía solar fotovoltaica podría reducir

precipitadamente los costos y, eventualmente, ser competitiva con los

combustibles fósiles.

Durante el decenio de 1990, los costos de la energía solar habían disminuido

como se predijo, pero los costos de los combustibles fósiles también habían

disminuido, la energía solar estaba compitiendo con cierta desventaja, en términos

de costo.

Sin embargo, el gran crecimiento del mercado fotovoltaico en Japón y Alemania a

partir de la década de 1990 hasta el presente, han reactivado la industria solar.

En el año 2002 Japón instaló 25.000 paneles solares en los tejados. Estas

iniciativas permiten la creación de economías de escala, para reducir los costos de

manera constante. El mercado fotovoltaico está creciendo a un 30 por ciento de

paneles por año, con la promesa de la continua disminución de los costos.

Mientras tanto, la energía solar térmica para calentar agua potable es cada vez

más rentable para reducir la demanda de gas y electricidad.

13

A medida que pasa el tiempo, las tecnologías cambian y mejoran durante las

décadas. Sin embargo, los fundamentos de la energía solar fotovoltaica (ESFV),

siguen siendo los mismos. Los rayos solares son atrapados y después convertidos

en electricidad.

2.2.1 RESUMEN Y EVOLUCION DE LA ENERGIA SOLAR FV 1839 Edmund Bacquerel, físico francés, descubre el efecto fotovoltaico: en una

celda electrolítica compuesta de 2 electrodos metálicos sumergidos en una

solución conductora, la generación de energía aumentaba el exponer la

solución a la luz.

1873 Willoughby Smith descubre la fotoconductividad de selenio.

1877 W.G. Adams y R.E. Day observan el efecto fotovoltaico en selenio sólido.

Construyen la primera celda de selenio.

1904 Albert Einstein publica su trabajo acerca del efecto fotovoltaico.

1921 Albert Einstein gana el Premio Nobel por sus teorías explicativas del efecto

fotovoltaico.

1951 El desarrollo de la unión p-n crecida posibilita la producción de una celda de

germanio monocristalino.

1954 Los investigadores de los Laboratorios Bell (Murray Hill, NJ) D.M. Chapin,

C.S. Fuller, y G.L. Pearson publican los resultados de su descubrimiento

celdas solares de silicio con una eficiencia del 4,5%.

1955 Se comercializa el primer producto fotovoltaico, con una eficiencia del 2% al

precio de $25 USD cada celda de 14 mW.

1958 El 17 de marzo se lanza el Vanguard I, el primer satélite artificial alimentado

parcialmente con energía fotovoltaica. El sistema FV de 0,1 W duró 8 años.

1963 En Japón se instala un sistema fotovoltaico de 242 W en un faro.

1973 La Universidad de Delaware construye "Solar One", una de las primeras

viviendas con EFV. Las placas fotovoltaicas instaladas en el techo tienen un

doble efecto: generar energía eléctrica y actuar de colector solar (calentado

el aire bajo ellas, el aire era llevado a un intercambiador de calor para

acumularlo).

14

1974-1977 Se fundan las primeras compañías de energía solar. El Lewis

Research Center (LeRC) de la NASA coloca las primeras aplicaciones en

lugares aislados. La potencia instalada de EFV supera los 500 kW.

1978 El NASA LeRC instala un sistema FV de 3.5-kWp en la reserva india

Papago (Arizona). Es utilizado para bombear agua y abastecer 15 casas

(iluminación, bombeo de agua, refrigeración, lavadora). Es utilizado hasta la

llegada de las líneas eléctricas en 1983, y partir de entonces se dedica

exclusivamente al bombeo de agua.

1980 La empresa ARCO Solar es la primera en producir más de 1 MW en

módulos FV en un año.

1981 "Solar Challenger", un avión abastecido por EFV, vuela. Se instala en

Jeddah, Arabia Saudita, una planta desalinizadora por ósmosis-inversa

abastecida por un sistema FV de 8-kW.

1982 La producción mundial de EFV supera los 9.3 MW. Entra en funcionamiento

la planta ARCO Solar Hisperia en California de 1-MW.

1983 La producción mundial de EFV supera los 21.3 MW, y las ventas superan

los 250 millones de USD. El Solar Trek, un vehículo alimentado por EFV

con 1 kW atraviesa Australia; 4000 Km. en menos de 27 días. La velocidad

máxima es 72 km/h, y la media 24 km/h. ARCO Solar construye una planta

de EFV de 6-MW en California, en una extensión de 120 acres; conectado a

la red eléctrica general suministra energía para 2000-2500 casas.

1992 Instalado un sistema FV de 0.5-kW en Lago Hoare, Antártida, con baterías

de 2.4-kWh. Se utiliza para abastecer a equipamiento de laboratorio,

iluminación, computadoras e impresoras y un pequeño horno microondas.

1996 El "Ícaro", un avión movido por EFV sobrevuela Alemania. Las alas y la

zona de cola están recubiertas de 3000 células súper eficientes con una

superficie de 21m².

15

2.2.2 TENDENCIAS, DESARROLLO, DESPLIEGUE Y ECONOMIA ACTUALES PARA ENERGIA SOLAR FV Las tendencias siguientes son algunos ejemplos por los cuales el mercado

solar se está ayudando para llegar a ser competitivo:

Las leyes dan crédito para que la electricidad generada con paneles, alimenten la

red eléctrica. La ley de suministro eléctrico actual en Alemania, es la guía principal

del crecimiento de la energía solar fotovoltaica en el mundo.

Incentivos tales como rebajas y créditos fiscales en el estado y a nivel local para

animar a consumidores a considerar energía solar.

Concesiones del gobierno para la investigación fundamental en la tecnología solar

para hacer la producción más barata y para mejorar eficacia.

Préstamos que bajan costes del despliegue, para el desarrollo de los programas

solares, El programa solar indio patrocinado por el préstamo de la UNEP ha traído

energía solar a 18.000 hogares en la India meridional. El éxito en el programa

solar de la India ha llevado a proyectos similares en otras áreas que se

convirtieron tales como Túnez, Marruecos, Indonesia, México y Chile.

Asociaciones de energía solar

♦ Internacionales: NGO organismo internacional de energía solar de la

sociedad (ISES) que apoya a tecnologías y a los miembros sostenibles de

la alianza internacional de las energías renovables (IREA).

♦ Europa: ESTIF - Federación termal solar europea de la industria

♦ Norteamérica: ASES: Energía solar favorable de la asociación de la

organización de energía solar americana de los estados, eficacia y

tecnologías sostenibles.

♦ SEIA: Organización de comercio de energía solar de los estados de la

asociación de las industrias de fabricantes de energía solar, para

distribuidores autorizados, distribuidores contratistas.

16

♦ CSAI: Asociación solar canadiense de la industria.

♦ ANES: Asociación de energía solar mexicana.

Institutos de investigación de energía solar

Hay muchas instituciones y departamentos de investigación en las

universidades de todo el mundo, que investigan aspectos de la energía

solar. Los países que son particularmente activos son Alemania, España,

Japón, Australia, China, y Estados Unidos.

♦ Laboratorio nacional NREL de las energías renovables del

centro para la tecnología de sistemas de las energías renovables, de

la universidad de Loughborough en Reino Unido.

♦ Centro de la energía solar para los sistemas de energía sostenibles

en la universidad nacional australiana.

♦ Centro de la energía solar de la Florida

♦ Laboratorio de energía solar de la Universidad de Wisconsin, en

Madison

♦ Instituto PROMETHEUS para el desarrollo sostenible, no lucrativo

que promueve la energía solar fotovoltaica, tecnologías termales y

otras sostenible solares.

♦ Instituto Español que se destaca por impartir cursos del tema en

Chile.

2.3 FABRICACION FUNCIONAMIENTO Y UTILIZACION 2.3.1 ANTECEDENTES

Para la fabricación6 de paneles solares fotovoltaicos se emplea tecnología

muy avanzada y compleja. Sin bien está al alcance de muchos fabricantes, la

producción de colectores solares térmicos con un grado de eficacia aceptable, no

ocurre lo mismo con los paneles solares fotovoltaicos, donde muy pocas

compañías en el mundo cuentan con la capacidad y los recursos técnicos

6 http://www.hebesolar.com/

17

necesarios para producirlos. El funcionamiento de los paneles se basa en el efecto

fotovoltaico. Este efecto se produce cuando sobre materiales semiconductores

convenientemente tratados incide la radiación solar produciéndose electricidad.

2.3.2 FABRICACION DE UN PANEL SOLAR FOTOVOLTAICO En una lámina de material semiconductor puro se introducen elementos

químicos llamados dopantes que hacen que ésta tenga un exceso de electrones y

aunque no exista en realidad desequilibrio eléctrico (existirá el mismo numero de

electrones que de neutrones en el total de la plancha del semiconductor)

convencionalmente se entiende que esta plancha tiene una carga negativa y se la

denomina N. Por otro lado en otra lámina de material semiconductor se hace el

mismo proceso pero en esta ocasión con otra sustancia dopante que provoca que

haya una falta de electrones. Por esta razón se entiende convencionalmente que

la plancha tiene una carga positiva y se le denomina P. Finalmente, se procede a

realizar la unión P-N en la cual el exceso de electrones de N pasa al otro cristal y

ocupa los espacios libres en P. Con este proceso la zona inmediata a la unión

queda cargada positivamente en N y negativamente en P creándose un campo

eléctrico cuya barrera de potencial impide que continúe el proceso de trasvase de

electrones de una plancha a la otra. Tanto las células monocristalinas y

multicristalinas, son fabricadas bajo las mismas condiciones. La diferencia entre

ambas radica principalmente en la distribución de los cristales de silicio que la

componen. Ambas son estables, y de alta eficiencia en la conversión fotovoltaica,

cubiertos por una película anti-reflexión azul oscura de nitruro de silicio o dióxido

de titanio, de color homogéneo y hermoso aspecto. Confeccionados con avanzada

tecnología de impureza adquirida, y superficie trasera de aluminio, para el alto

rendimiento de conversión energética en la instalación fotovoltaica. De alta calidad

en plata y plata-aluminio para garantizar mayor fuerza en las uniones de la

soldadura. Son fabricados bajo patrones de alta precisión por computadora y

máquina soldadura automática. La figura 2.3.1 simplifica en 9 pasos, el proceso

de fabricación de un panel solar fotovoltaico.

18

Figura 2.3.1 Proceso de fabricación de paneles solares fotovoltaicos Fuente: www.hebesolar.com/solution/Cells-modules-manufactured-equipment.html

Descripción de la secuencia del proceso de fabricación:

1- Horno de fundición.

2- Horno de difusión.

3- Sala de limpieza.

4- Línea de procesamiento de las células.

5- Conexión y soldadura.

6- Línea de ensamblaje.

7- Laminación.

8- Simulación y control de calidad.

9- Producto Final.

1 2 3

4 5 6

7 8 9

19

Figura 2.3.2 Células solares multi y monocristalinas respectivamente

Fuente: http://www.hebesolar.com/Photovoltaic-Solar-Cells/

Figura 2.3.3 Paneles solares fotovoltaicos, multi y monocristalinos respectivamente

Fuente: http://www.hebesolar.com/Photovoltaic-Solar-Modules/

20

2.3.3 FUNCIONAMIENTO DE LAS CELULAS FOTOVOLTAICAS Cuando el conjunto de células queda expuesto a la radiación solar, los

fotones contenidos en la luz transmiten su energía a los electrones de los

materiales semiconductores que pueden entonces romper la barrera de potencial

de la unión P-N y salir del semiconductor a través de un circuito exterior,

produciéndose así corriente eléctrica. El módulo más pequeño de material

semiconductor con unión P-N y por lo tanto con capacidad de producir electricidad,

es denominado célula fotovoltaica. Estas células fotovoltaicas se combinan de

determinadas maneras para lograr la potencia y el voltaje deseados. Este conjunto

de células sobre el soporte adecuado y con los recubrimientos que la protejan

convenientemente de agentes atmosféricos es lo que se denomina panel

fotovoltaico.

2.3.4 CLASIFICACION DE LOS PANELES SOLARES Existen diferentes tipos de paneles solares en función de los materiales

semiconductores y los métodos de fabricación que se empleen. Los tipos de

paneles solares que se pueden encontrar en el mercado son:

2.3.4.1 En función de los materiales:

♦ Silicio Puro monocristalino: Basados en secciones de una barra de silicio perfectamente

cristalizado en una sola pieza. En laboratorio7 se han alcanzado

rendimientos máximos del 24,7% para éste tipo de paneles siendo

en los comercializados del orden del 16%.

♦ Silicio puro policristalino: Los materiales son semejantes a los del tipo anterior aunque en este

caso el proceso de cristalización del silicio es diferente. Los paneles

policristalinos se basan en secciones de una barra de silicio que se ha

estructurado desordenadamente en forma de pequeños cristales. Son

visualmente muy reconocibles por presentar su superficie un aspecto

7 La diferencia del rendimiento obtenido para panales comerciales y de laboratorio, se debe principalmente a que en laboratorios se trabaja en condiciones ideales.

21

granulado. Se obtiene con ellos un rendimiento inferior que con los

monocristalinos (en laboratorio del 19.8% y en los módulos comerciales del 14%) siendo su precio también más bajo. Por las

características físicas del silicio cristalizado, los paneles fabricados

siguiendo esta tecnología presentan un grosor considerable. Mediante

el empleo del silicio con otra estructura o de otros materiales

semiconductores es posible conseguir paneles más finos y versátiles

que permiten incluso en algún caso su adaptación a superficies

irregulares. Son los denominados paneles de lámina delgada Así pues,

los tipos de paneles de lámina delgada son:

Silicio amorfo. (TFS) Basados también en el silicio, pero a diferencia de los dos

anteriores, este material no sigue aquí estructura cristalina alguna.

Paneles de este tipo son habitualmente empleados para pequeños

dispositivos electrónicos (Calculadoras, relojes) y en pequeños

paneles portátiles. Su rendimiento máximo alcanzado en laboratorio

ha sido del 13% siendo el de los módulos comerciales del 8%.

Teluro de cadmio: Rendimiento en laboratorio 16% y en módulos comerciales 8%

Arseniuro de Galio Uno de los materiales más eficientes. Presenta unos

rendimientos en laboratorio del 25.7% siendo los comerciales del 20%

Diseleniuro de cobre en indio Con rendimientos en laboratorio próximos al 17% y en módulos comerciales del 9%

Existen también los llamados paneles Tándem que combinan dos tipos de

materiales semiconductores distintos. Debido a que cada tipo de material

aprovecha sólo una parte del espectro electromagnético de la radiación solar,

mediante la combinación de dos o tres tipos de materiales es posible aprovechar

22

una mayor parte del mismo. Con este tipo de paneles se han obtenidos rendimientos del 35%. Teóricamente con uniones de 3 materiales podría llegarse

hasta rendimientos del 50%, pero únicamente en condiciones ideales.

Figura 2.3.4 Funcionamiento de los paneles Tándem

Fuente: http://www.sitiosolar.com/paneles fotovoltaicas.htm La Fig. 2.3.4 (A) muestra una célula con material semiconductor 1, sólo aprovecha

una parte del espectro electromagnético de la luz solar. La Fig. 2.3.4 (B) muestra

la célula con el material semiconductor 2 aprovecha otra parte del espectro

electromagnético de la luz diferente al del material semiconductor 1. En la Fig.

2.3.4 (C) Se presenta la célula Tándem que combina ambos tipos de materiales, lo

que implica mejor aprovechamiento del espectro electromagnético, ya que ambos

tipos de materiales son capaces de transformar la luz en energía eléctrica. El

rendimiento total será en teoría la suma de los rendimientos de ambos tipos de

células por separado. La mayoría de los módulos comercializados actualmente

están realizados de silicio monocristalino, policristalino y amorfo. El resto de

materiales se emplean para aplicaciones más específicas y son más difíciles de

encontrar en el mercado. Mención especial merece una nueva tecnología que está

llamada a revolucionar el mundo de la energía solar fotovoltaica. Se trata de un

nuevo tipo de panel solar muy fino, muy barato de producir y que según dicen sus

desarrolladores presenta el mayor nivel de eficiencia de todos los materiales. Este

nuevo tipo de panel esta basado en el Cobre Indio Galio Diselenido (CIGS) y se

prevé que en un futuro no muy lejano, debido a su competitiva relación entre

producción de energía/costo pueda llegar a sustituir a los combustibles fósiles en

la producción de energía.

23

La tabla 1 resume los rendimientos de distintos paneles solares.

Tipo de material

Rendimiento en condiciones ideales

de laboratorio

Rendimiento en paneles

comerciales Silicio Puro monocristalino 24,70% 16%

Silicio puro policristalino 19,80% 14%

Silicio amorfo 13,00% 8%

Teluro de cadmio 16,00% 8%

Arseniuro de Galio 25,70% 20%

Diseleniuro de cobre en indio 17,00% 9%

Tándem 35,00% No disponible en versión comercial

Tabla 1 Rendimiento de los paneles según material de fabricación Fuente: Elaboración propia (año 2010)

2.3.4.2 Tipos de paneles en función de la forma: También es posible clasificar los tipos de paneles en función de su forma.

Empleándose cualquiera de los materiales antes comentados se fabrican paneles

en distintos formatos para adaptarse a una aplicación en concreto o bien para

lograr un mayor rendimiento. Algunos ejemplos de formas de paneles distintos del

clásico plano son:

♦ Paneles con sistema de concentración.

Un ejemplo de ellos es el modelo desarrollado por una marca española, el

cual mediante una serie de superficies reflectantes concentra la luz sobre

los paneles fotovoltaicos. Aunque el porcentaje de conversión no varíe, una

misma superficie de panel producirá más electricidad ya que recibe una

cantidad concentrada de fotones. Actualmente se investiga en sistemas que

concentran la radiación solar por medio de lentes. La concentración de la

luz sobre los paneles solares es una de las vías que están desarrollando los

fabricantes para lograr aumentar la efectividad de las células fotovoltaicas y

bajar los costes.

24

Figura 2.3.5 Paneles con sistema de concentración

Fuente: http://www.sitiosolar.com/paneles fotovoltaicas.htm

♦ Paneles de formato “teja o baldosa”.

Estos paneles son de pequeño tamaño y están pensados para combinarse

en gran número para así cubrir las grandes superficies que ofrecen los

tejados de las viviendas. Aptos para cubrir grandes demandas energéticas

en los que se necesita una elevada superficie de captación.

Figura 2.3.6 Teja solar


25

♦ Paneles bi faciales:

Basados en un tipo de panel capaz de transformar en electricidad la

radiación solar que recibe por cualquiera de sus dos caras. Para aprovechar

convenientemente esta cualidad se coloca sobre dos superficies blancas

que reflejan la luz solar hacia el reverso del panel.

Figura 2.3.7 Panel de dos caras


2.4 SISTEMAS DE SEGUIMIENTO SOLAR En los sistemas solares fotovoltaicos existe la posibilidad de emplear

elementos seguidores del movimiento del Sol que favorezcan y aumenten la

captación de la radiación solar.

Existen tres tipos de soporte para los colectores solares: ♦ Colocación sobre soporte estático:

Soporte sencillo sin movimiento. Dependiendo de la latitud de la instalación

y de la aplicación que se quiera dar se dotan a los paneles de la inclinación

más adecuada para captar la mayor radiación solar posible. Es el sistema

más habitual que se encuentra en las instalaciones.

♦ Sistemas de seguimiento solar de 1 eje: Estos soportes realizan un cierto seguimiento solar. La rotación del soporte

se hace por medio de un solo eje, ya sea horizontal, vertical u oblicuo. Este

tipo de seguimiento es el más sencillo y el más económico resultando sin

26

embargo incompleto ya que sólo podrá seguir o la inclinación o el azimut del

Sol, pero no ambas a la vez.

♦ Sistemas de seguimiento solar de dos ejes: Con este sistema ya es posible realizar un seguimiento total del Sol en

altitud y en azimut y siempre se conseguirá que la radiación solar incida

perpendicularmente obteniéndose la mayor captación posible. Existen tres

sistemas básicos de regulación del seguimiento del Sol por dos ejes:

Sistemas mecánicos El seguimiento se realiza por medio de un motor y de un sistema de

engranajes. Dado que la inclinación del Sol varía a lo largo del año

es necesario realizar ajustes periódicos, para adaptar el movimiento

del soporte.

Mediante dispositivos de ajuste automático.

El ajuste se realiza por medio de sensores que detectan cuando la

radiación no incide perpendicular al panel corrigiéndose la posición

por medio de motores.

Dispositivos sin motor Sistemas que mediante la dilatación de determinados gases, su

evaporación y el juego de equilibrios logran un seguimiento del Sol.

Se estima que con estos sistemas se puede lograr un aumento del orden de 10%

a un 40% de la energía captada, sin embargo, en el estado del arte no se

menciona bajo qué condiciones se han logrado estos valores. Se hace necesario

evaluar el costo del sistema de seguimiento y la ganancia derivada del aumento

de energía para determinar su rentabilidad.

27

2.4.1 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 IEEE8, (Instituto de Ingenieros

Eléctricos y Electrónicos), que los clasifica en:

2.4.1.1 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, 12,13].

♦ 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

[7, 14]

La variación del Sol en elevación se produce por la inclinación del eje de

rotación terrestre, que es de 23,5º aproximadamente9 con respecto al plano de

la órbita que describe alrededor del Sol y da origen a las estaciones del año.

8 Institute of Electrical and Electronic Engineers 9 El geofísico serbio, Milutin Milankovitch estimaba que la inclinación del eje de la Tierra no siempre sería 23.5º. Ya que con el tiempo se produce un pequeño movimiento. Calculó que la inclinación cambia entre 22.1º y 24.5º dentro de un ciclo de alrededor de 41.000 años.

28

Figura 2.4.1 Inclinación del eje de rotación terrestre 23,5º Fuente: Elaboración propia (año 2009)

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 eclíptica10 (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. (Ver

figura 2.4.2)

10 http://www.hverdugo.cl/conceptos_pdf/invierno_verano.pdf El movimiento que realiza la Tierra en torno al Sol (traslación), genera un plano al que se le ha dado el nombre de Eclíptica.

29

Figura 2.4.2 Eclíptica del Sol en invierno y verano


2.4.1.2 Según el control: Existen dos tipos de control para efectos de seguimiento del Sol. El control de lazo

abierto, y el control de lazo cerrado, la lógica de control a utilizar se refiere a la

forma de seguimiento solar propiamente tal, independientemente de cómo se

materialice el control en el actuador.

Por ejemplo el seguidor solar puede tener una lógica de control de lazo abierto (sin

retroalimentación), pero el actuador encargado de mover las celdas fotovoltaicas

puede tener una lógica de control de lazo cerrado (con retroalimentación), para

que el sistema pueda conocer en todo momento en que posición se encuentran

las celdas.

♦ Control de lazo abierto: A diferencia del control de lazo cerrado, el control de lazo abierto carece de

retroalimentación en el sistema, por lo tanto, no existe sensor alguno que

proporcione información para corregir el seguimiento solar propiamente tal.

Sin embargo, la posición del Sol es conocida por otros medios que

permiten alinear los paneles correctamente en dirección con el Sol,

prescindiendo de retroalimentación para lograr éste propósito. Un ejemplo

de este tipo de sistema, se puede encontrar en la literatura [10], no

obstante, es escaso el aporte que existe en relación a esta materia.

30

Algunos métodos para realizar seguimiento por lazo cerrado se basan 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

una hora.

El control debe contemplar mover los paneles 15º cada una 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 luz disponibles 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 solares11 o simplemente preguntando al servicio

meteorológico local.

De esta manera, se alinea el panel con el sol, y a partir de aquel momento

comienza la cuenta, el sistema mueve los paneles 15º cada una 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.

♦ Control de lazo cerrado: El control de lazo cerrado implica una retroalimentación en el sistema [7, 8,

9, 11, 12, 13,14], ésta es dada por un sensor capaz de proporcionar

información acerca de la posición solar con respecto al plano terrestre,

dicha información permite posicionar los paneles en la dirección donde se

encuentra el Sol.

11 http://solunar.ebierzo.com/calculate/

31

Algunos tipos de sensores comúnmente utilizados son:

Fotodiodo: Un fotodiodo es un semiconductor construido con una unión PN,

sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Para que su

funcionamiento sea correcto se polariza inversamente, con lo que se

producirá una cierta circulación de corriente cuando sea excitado por

la luz. Debido a su construcción, los fotodiodos se comportan como

células fotovoltaicas, es decir, en ausencia de luz exterior generan

una tensión muy pequeña con el positivo en el ánodo y el negativo en

el cátodo. Esta corriente presente en ausencia de luz recibe el

nombre de corriente de oscuridad.

Fotoresistencia:

Una fotoresistencia es un componente electrónico cuya resistencia

disminuye con el aumento de intensidad de luz incidente. Se

denomina con la sigla, LDR, Light – Dependent – Resistor.

(Resistencia dependiente de la luz).

Fototransistor: Se llama fototransistor a un transistor sensible a la luz, normalmente

a los infrarrojos. La luz incide sobre la región de base, generando

portadores en ella. Esta carga de base lleva el transistor al estado de

conducción. El fototransistor es más sensible que el fotodiodo por el

efecto de ganancia propio del transistor.

Célula foto eléctrica: La célula foto eléctrica no es mas que un panel solar muy pequeño

(del orden de 4 pulgadas), el cual se emplea para detectar la máxima

tensión y corriente.

32

Sensor CCD Un CCD12 es un circuito integrado que contiene un número

determinado de condensadores enlazados o acoplados. Bajo el

control de un circuito interno, cada uno de los condensadores puede

transferir su carga eléctrica a uno o a varios de los condensadores

que estén a su lado en el circuito impreso.

Sensor CMOS

Un sensor CMOS, es lo mismo que un sensor CCD, pero puede

integrar más funciones en un chip sensor, como por ejemplo control

de luminosidad, corrector de contraste, o un conversor analógico-

digital.

Sensor SMA (Shape Memory Alloy) Es un sensor pasivo (mecánico), pero dado que depende del Sol,

para orientar los paneles solares, se considera como un sistema con

realimentación o lazo cerrado.

Una vez definido el sensor a utilizar, el control se realiza por algún algoritmo de

control, dentro de los cuales destacan: proporcional adaptativo, proporcional

Integrativo Derivativo (PID), lógica difusa, redes neuronales, etc.

2.4.1.3 Según actuador: ♦ Pasivos:

Actuadores pasivos son aquellos que no requieren energía del sistema de

seguimiento solar para desplazar los paneles FV, esto ocurre gracias a que

el actuador y sensor se encuentran fabricados con una aleación especial de

distintos metales fundidos en correctas proporciones. 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

12 Del Inglés charge-coupled device, que significa dispositivo de cargas eléctricas interconectadas.

33

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. Estos actuadores se denominan SMA mas detalles se encuentran

en el artículo [8], sin embargo es escaso el aporte que existe en esta

materia, en relación a los sistemas pasivos de seguimiento solar.

Figura 2.4.3 Sistema de seguimiento pasivo, con actuador SMA

Fuente: Poulek, V.; “Testing the new solar tracker with shape memory alloy actors” [8]

.

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34

Figura 2.4.4 Seguidor pasivo, visto desde arriba


Figura 2.4.5 Seguidor pasivo con paneles FV


35

♦ Activos: Actuadores activos son todos aquellos que requieren energía del sistema

de seguimiento solar, para movilizar los paneles FV en dirección del Sol [7,

9, 10, 11, 12, 13, 14]. El gasto de energía realizado por el actuador

durante el seguimiento del sol, no debe superar la energía obtenida durante

aquel transcurso. En la mayoría de los casos se utilizan motores CC, con

caja reductora para aumentar el torque.

2.4.2 ASPECTOS RELATIVOS A LA EFICIENCIA ENERGETICA Un estudio realizado durante el año 2006 por el físico Matthias Loster13 de

la Universidad de California, señala que si se instalaran sistemas de energía solar

con una eficiencia del 8%, cubriendo el área de las zonas definidas por los discos

negros mostrados en la figura 2.4.6, se podría proporcionar un poco más de la

demanda total de energía primaria del mundo actual, es decir, toda la energía

consumida actualmente, incluyendo calor, electricidad, combustibles fósiles, etc.,

que se producirían en forma de electricidad por las células solares fotovoltaicas.

Los colores mostrados en el mapa de la figura 2.4.6 señalan la radiación solar

promedio de más de tres años a partir de 1991 a 1993 (durante las 24 horas),

teniendo en cuenta la cobertura de nubes disponible de los satélites

meteorológicos.

2.4.2.1 Datos de la irradiancia solar La irradiancia solar espacial fue calculada con un algoritmo desarrollado por

Bishop and Rossow [1] sobre la base de datos disponible a través del Proyecto

Internacional de Climatología de Nubes por Satélite (ISCCP) [2], que proporciona

datos calibrados por los satélites meteorológicos geoestacionarios en todo el

mundo. La radiación solar que se muestra es un promedio de tres años de 1991 a

1993 y proporciona la irradiancia total en una cuadrícula de 2,5° en el

espaciamiento latitud y longitud.

13 http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/index.html

36

Todos los puntos de datos se representan gráficamente en coordenadas

ortogonales, latitud y longitud. En consecuencia, las distancias, áreas, y los

ángulos son cada vez más distorsionados hacia los polos. La línea de

superposición se obtuvo del Centro Nacional de Datos Geofísicos (NGCC) [3].

Figura 2.4.6 irradiancia solar en la tierra, expresada en W/m²

Fuente: Matthias Loster at http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/index.html

2.4.2.2 Las zonas terrestres Si se instalaran sistemas fotovoltaicos en las zonas indicadas por los discos

negros del mapa, se produciría en promedio 18Tw (Tera-watt) de potencia

eléctrica, es decir, 3Tw por disco, suponiendo una eficiencia de conversión de la

luz solar incidente a electricidad de un 8%. Esto corresponde a una energía

equivalente de 13.567Mtoe (millones de toneladas de petróleo por año), lo que

representa algo más del Suministro Total de energía Primaria del Mundo (TPES)14

que para el 2006, fue de 11.741Mtoe [4].

14 Suministro total de energía primaria = Producción + importaciones - exportaciones - los depósitos marinos internacionales ± variación de las existencias http://www.iea.org/textbase/country/maps/world/co2_tpes.htm

37

La tabla 2 muestra las ubicaciones en el mapa, para dar una idea de las

necesidades de superficie de tierra y la disponibilidad. Actualmente, la eficiencia

de una celda solar fotovoltaica es del orden del 14% al 18%, ante lo cual el área

requerida por los discos negros disminuiría prácticamente a la mitad, si a esto le

agregamos sistemas de seguimiento solar, el área requerida para producir esta

misma cantidad de energía sería bastante menor. Sin embargo, el escenario

particular que se muestra es sólo teórico, ya que no es óptimo por razones

políticas y técnicas. No se especifican por ejemplo las infraestructuras necesarias

y la forma de gestionar la distribución de energía eléctrica generada con los

paneles.

Location / Desert

Desert Size /

km² [5] Irradiation

/ Wm² Area

required / km²

Africa, Sahara 9.064.960 260 144.231

Australia, Great Sandy 388.500 265 141.509

China, Takla Makan 271.950 210 178.571

Middle-East, Arabian 2.589.910 270 138.889

Chile, Atacama 139.860 275 136.364

U.S.A., Great

Basin 492.100 220 170.455

Tabla 2 Necesidades de superficie de tierra para requerimiento energético TPES Fuente: Matthias Loster at http://www.ez2c.de/ml/solar_land_area/index.html

Energía en tep & toe

Energía en kcal

Energía en joules

Potencia en watt

Tiempo

1 10.000.000 42.000.000.000 1.332 año

13567M 135.670T 569.814.000T 18T año

Tabla 3 Equivalencia de unidades energéticas Fuente: Elaboración propia (año 2009)

38

2.4.3 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, que mas tarde envían la orden de

compra correspondiene, 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, para sopesar que un desarrollo nacional, implicaría un

elevado ahorro.

Empresa Modelo Valor Estimado País

Ecliptica GM 1003 no mencionado España

Feina SF 45 no mencionado España

Titantracker Toro 10.000,00 € España

SDK Sendekia TRACKER-KIT no mencionado España

Mecasolar MS-2 Tracker 10 no mencionado España

Bio-sol Bio 1 3.400,00 € España

Teknosolar Lorentz Etatrack Active 1500-A 3.115,00 € España

Tabla 4 Algunos seguidores solares disponibles en el mercado Fuente: Elaboración propia (año 2010)

Sin duda alguna España es uno de los países líderes en el desarrollo de

seguidores solares. Nótese que a estos precios se debe sumar los costes por

importación, si se quisiera traer a Chile.

39

2.4.4 INVESTIGACION PARA MEJORAR EL RENDIMIENTO DE PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS

Actualmente existe una infinidad de laboratorios, que se encuentran

realizando investigación y desarrollo, para mejorar el rendimiento de los paneles

solares fotovoltaicos. Los y países líderes en estas investigaciones son Alemania,

China, España, Francia, Inglaterra, y Estados Unidos, los que han logrado

importantes avances y contribuciones en esta materia, sin embargo, los mejores

resultados corresponden a pruebas de laboratorio realizadas bajo condiciones

ideales, y distan bastante de poder replicar dichos resultados en un escenario real

a nivel comercial.

Los científicos prueban insistentemente con distintos métodos, y materiales, para

obtener rendimientos más óptimos con bajos costos. Dentro de esta línea de

investigación se destacan principalmente 2 tendencias:

- Experimentar con materiales alternativos al silicio, para disminuir los

elevados costos de la energía solar fotovoltaica.

- Mejorar el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos.

Con la intensión de no abstraerse demasiado del objetivo central de este

documento, que se enmarca dentro de los seguidores solares para celdas

fotovoltaicas tradicionales de silicio, se presentan algunos avances que muestran

los logros obtenidos por la investigación, no obstante, para obtener mas

información acerca de los avances en esta materia, se sugiere ver el anexo Nº 8

de este documento.

2.4.4.1 Investigación y logros con materiales alternativo al silicio Avances de la Corporación Ikerlan: La corporación Ikerlan15, se ha destacado por desarrollar un módulo fotovoltaico

sin silicio y de fácil integración. Un grupo de investigadores del centro tecnológico

Ikerlan-IK4 ha fabricado un panel fotovoltaico a escala de laboratorio que, además 15 IKERLAN es socio colaborador de Mondragon Unibertsitatea y miembro de IK4 Research Alliance. Es también miembro de la Red Vasca de Ciencia y Tecnología, Innobasque. Sitio Web: http://www.ikerlan.es

40

de cumplir la función de convertir la luz solar en electricidad, soluciona los

problemas de integrabilidad y disponibilidad presentes en la tecnología actual.

La instalación de paneles solares fotovoltaicos, que son capaces de convertir la

energía del sol en electricidad para su uso posterior en viviendas o venta a la

compañía suministradora, se ha ido incrementando a un ritmo tan frenético

durante los últimos años que ha causado una demanda superior a las capacidades

de producción de las compañías fabricantes. Por un lado, se ha ordenado por

decreto la instalación de paneles solares en todos los edificios municipales de

nueva construcción. En paralelo, también se han fijado por decreto precios de

venta de electricidad muy favorables por parte de particulares hacia las compañías

suministradoras. Esto ha propiciado la construcción de múltiples pequeñas

centrales energéticas, también llamadas huertas solares, por parte de pequeños

inversores, que han visto en la energía solar fotovoltaica una forma de asegurar o

incrementar sus planes de pensión.

Sin embargo, la creciente demanda de paneles, y en especial de la materia prima

necesaria para su fabricación, el silicio mono o multicristalino, ha hecho que el

precio final de la instalación se haya ido incrementando hasta niveles donde el

período de amortización supere incluso la durabilidad o garantía de las placas

solares. Más conflictivo es quizás la dependencia creada de las compañías

ensambladoras e instaladoras de módulos. España se sitúa entre los países

líderes sobre los productores de dichas células, que en la mayoría de los casos

están situados en países del lejano oriente. Aunque esta escasez de materia

prima se ha descrito en ocasiones como una situación transitoria, y se ha repetido,

por activa y por pasiva, que se ha incrementado la producción de células, el precio

por panel sigue siendo relativamente alto, lo que hace que otro tipo de inversiones,

aunque sean a intereses muy bajos, sigan siendo más rentables.

Aparte del precio, la tecnología fotovoltaica tradicional basada en paneles de

silicio, voluminosos, pesados, opacos y oscuros, encuentra también amplio

rechazo en el sector de la construcción. Los arquitectos, obligados por ley a su

41

implantación en edificios, no encuentran soluciones fáciles de integración,

limitando su colocación a sitios con poco impacto visual como tejados y azoteas.

Por todas estas razones, una de las líneas de investigación más innovadoras en el

ámbito mundial consiste en la búsqueda de nuevos materiales que puedan cumplir

también la función de convertir la luz solar en electricidad, y a la vez solucionen los

problemas de integrabilidad y disponibilidad presentes en la tecnología actual.

El panel fotovoltaico que ha fabricado el grupo de investigadores del centro

tecnológico Ikerlan-IK4 cumple con todas estas expectativas. Dicho panel está

fabricado con materiales plásticos, denominados polímeros orgánicos, cuya

producción se realiza en laboratorios químicos, y por lo tanto su disponibilidad es

prácticamente infinita. Pero más impactante son, sin lugar a dudas, su apariencia y

diseño. Se pueden fabricar de diferentes colores, y consisten en una fina capa de

plástico que se puede depositar sobre prácticamente cualquier tipo de superficie,

bien sea rígida o flexible. La versatilidad, la sencillez de los procesos de

fabricación y el bajo coste de esta tecnología hacen que los campos de aplicación

estén solamente limitados por la imaginación de investigadores y promotores

industriales. El sector más beneficiado puede ser precisamente el de la

construcción, ya que esta tecnología permite la fabricación de ventanas

semitransparentes o cortinas fotovoltaicas que permitan a la vez un cierto paso de

luz hacia el interior y en paralelo conviertan parte de la energía solar en

electricidad.

El sector textil tampoco está al margen de estos avances, ya que cargadores para

dispositivos electrónicos portátiles, como teléfonos móviles o reproductores de

música, pueden ser incorporados en prendas, bolsos e incluso en tiendas de

campaña para los amantes del camping.

La investigación en este tipo de materiales es cada vez más común, con

numerosos países con programas nacionales de investigación exclusivamente

dedicados a avanzar en la tecnología fotovoltaica orgánica. Ikerlan-IK4 lanzó su

actividad en este campo hace dos años y los resultados no han podido ser

mejores. Recientemente, se han medido eficiencias de conversión fotoeléctrica por

encima del 4% en células fabricadas en laboratorios propios de Ikerlan con

42

simuladores solares homologados en centros de caracterización de paneles

fotovoltaicos ajenos a Ikerlan.

En paralelo, la fabricación de módulos no es sencilla, ya que diferentes células

individuales tienen que ser conectadas eléctricamente sobre el mismo sustrato

durante el proceso de fabricación. El módulo semitransparente construido en

Ikerlan tiene unas dimensiones de 30x30 mm y conecta 16 células individuales

sobre un mismo sustrato de cristal. Es el primer ejemplar construido en el ámbito

nacional y uno de los pocos en el internacional. Con este avance se demuestra la

viabilidad y el potencial de la fotovoltaica orgánica, y se da un paso adelante hacia

la industrialización de esta tecnología. Ikerlan trabaja actualmente en diseños

alternativos para producir paneles de mayor área que puedan dar servicio a

diferentes aplicaciones, desde pequeños paneles para reemplazar las baterías en

los equipos electrónicos portátiles, hasta grandes módulos que se puedan

implantar en tejados y fachadas sin impacto visual y respetando la arquitectónica

del edificio y alrededores. La figura 2.4.7 muestra un esquema de una célula solar

de colorante (DSC) formada por una capa de titanio nanoestructurado

sensibilizado a la luz visible con un colorante orgánico, y llenado de conductor

líquido. Las capas rígidas que cierran la célula solar son transparentes, por lo que

puede recibir iluminación desde cualquier dirección.

Figura 2.4.7 Esquema de una célula solar construida con materiales alternativos al Silicio

Fuente: J. Bisquert, “The two sides of solar energy” Nature Photonics, 2, 648 (2008)

43

La figura 2.4.8 Células solares de plástico basadas en tecnología DSC

desarrolladas por Sekisui Jushi Corporation de Japón, en cooperación con el

profesor Tsukasa Yoshida de la Universidad de Gifu, Japón. Mediante

combinaciones de colorantes sensibilizadores de los tres colores primarios

(amarillo, magenta, cian) pueden crearse todos los colores. La célula blanca

emplea un colorante absorbedor en el infrarrojo desarrollado por el profesor

Kazumasa Funabiki de la Universidad de Gifu, Japón.

Figura 2.4.8 Células solares de plástico basadas en tecnología DSC

Fuente: J. Bisquert, “The two sides of solar energy” Nature Photonics, 2, 648 (2008)

Avances Del Instituto Technologic de California: Un equip de investigators del Instituto Tecnológico de California, Caltech, liderado

por Harry Atwater, creó unas celdas solares flexibles altamente absorbentes

basadas en matrices de alambres de silicio.

Utilizando alambres largos y ultra-delgados de silicio incrustados en un sustrato de

polímero, un equipo de científicos de Caltech creó un nuevo tipo de celda solar

flexible que favorece la absorción de luz solar. Convierte de forma mucho más

eficiente sus fotones en electrones y lo logra utilizando sólo una fracción de los

materiales semiconductores caros requeridos por las celdas solares

convencionales.

44

Figura 2.4.9 Matrices de alambre de polímero y silicio

Fuente: Caltech (2010)

Las matrices de alambre de silicio absorben hasta el 96% de la luz solar incidente

en una única longitud de onda y el 85% de la luz solar total. Técnicamente, los

alambres tienen una eficiencia cuántica interna casi perfecta. Materiales como la

pintura negra tienen un enorme grado de absorción pero no realiza ningún tipo de

conversión de energía. Las matrices de alambre de silicio en cambio tienen

altísimos niveles tanto de absorción como de conversión. El secreto del éxito de

estas celdas son estos nano-alambres que de manera independiente representan

una celda solar altamente eficiente. Pero cuando además se unen en grandes

cantidades, son todavía más efectivos dado que interactúan entre ellos

incrementando la absorción de luz. Cuando la luz llega a cada alambre, parte es

absorbida y parte es dispersada. La suma de dispersiones colectivas entre los

alambres da a lugar a una celda sumamente absorbente. Cada alambre mide

entre 30 y 100 micrones (10^-6 metros) de largo y 1 micrón de diámetro. El

espesor total de la matriz mide solamente el espesor de dos alambres, pero en

términos de área o volumen, solo 2 por ciento está hecho de silicio y el restante 98

por ciento de polímero.

45

Figura 2.4.10 Matrices de alambre de polímero y silicio

Fuente: Caltech (2010)

Las ventajas están a la vista, dado que al requerir tan solo 2 por ciento de silicio se

logra una gran reducción de costos. A su vez, el porcentaje restante de polímero le

da total flexibilidad a los paneles lo que habilita poder ubicarlos sobre diversas

superficies. Si bien será clave lograr enormes avances en almacenamiento de la

energía para aprovechar las energías renovables en todo momento y no solo

cuando brille el sol o sople el viento, avances como este disminuirán cada vez más

rápido nuestra dependencia actual a las energías contaminantes que dominan las

matrices energéticas de casi todos los países.

2.4.4.2 Investigación, para mejorar el rendimiento de paneles fotovoltaicos Avances de la empresa Pyron: Los paneles solares fotovoltaicos son frecuentemente entendidos como símbolos

de progreso tecnológico sustentable de una región. Numerosos documentales nos

muestran techos de casas y edificios cuyas superficies están tapadas por estas

modernas placas azuladas. El concepto de obtener electricidad gratis desligada de

la red, una vez pagados los equipos, es sin duda atractivo. Su costo actual lo hace

prácticamente prohibitivo, por lo cual se utilizan casi exclusivamente en zonas

donde justamente no llega la electricidad por la red.

Actualmente, la industria fotovoltaica es la de mayor crecimiento en el mundo de la

energía, incrementando su producción en un 48% desde el año 2002. Para el año

46

2008, se estimó una generación mundial de 15200 MW. De la totalidad de paneles

instalados en ese año, el 45% tuvo lugar en España. Sin embargo, la eficiencia

sigue siendo baja y actualmente los mejores paneles logran un máximo de 23.4%,

y el promedio del mercado se encuentra entre el 12 y el 18 por ciento.

Sin embargo, la empresa Pyron Solar de San Diego en California, presentó una

tecnología revolucionaria, la Pyron Solar Triad, capaz de generar 800 veces más

energía que las celdas solares convencionales a través de la magnificación de la

radiación.

Figura 2.4.11 Pyron Solar Triad

Fuente: www.pyronsolar.com (2010)

El sistema propietario HE Optics System utiliza lentes de acrílico para enfocar la

luz sobre un sistema óptico secundario transmitiéndole hasta 6500 veces más

radiación.

47

Este sistema óptico secundario consiste en un cuerpo de vidrio especialmente

diseñado que captura la radiación concentrada del lente de acrílico y la propaga

de manera pareja sobre toda la superficie de la celda fotovoltaica. Debido a la

enorme cantidad de energía transmitida a las celdas, estas deben ser colocadas

de manera de que floten sobre una superficie de agua para evitar su

recalentamiento.

Las características del Pyron Solar Triad son las siguientes:

- Sistema de lentes propietario

- Sistema de seguimiento de doble eje (sigue al sol para mayor

aprovechamiento a través de un pequeño motor eléctrico)

- Transferencia pasiva de calor al agua

- Diseño escalable de bajo perfil

- Maximización de la superficie (utiliza sustancialmente menor

superficie que paneles convencionales)

- Fácil mantenimiento

- Bajos costos de construcción

Si bien por ahora estos paneles están disponibles únicamente para empresas

generadoras y corporaciones, en el futuro Pyron Solar tiene planes de venderlos a

usuarios residenciales y pequeñas empresas.

Seguramente se deberá esperar varios años para ver un sistema de estos

funcionando en nuestras latitudes pero es interesante conocer los avances en esta

industria de tan rápido crecimiento mundial.

Avances Del Instituto Politécnico Rensselaer: Un equipo de investigadores dirigido por Shawn-Yu Lin, del Instituto Politécnico

Rensselaer, ha descubierto y demostrado un nuevo método para superar dos de

las mayores barreras que limitan a la energía solar. Desarrollando un nuevo

recubrimiento antirreflectante que eleva la cantidad de luz del Sol capturada por

los paneles solares y permite a éstos absorber el espectro solar completo desde

casi cualquier ángulo, el equipo de la investigación ha acercado más a la

48

academia y a la industria hacia la obtención de la alta eficiencia que hará rentable

a la energía solar.

Figura 2.4.12 Nueva capa de material antirreflectante

Fuente: RPI: News & Events news.rpi.edu (2010)

Para conseguir la eficiencia máxima al convertir la energía solar en electricidad, se

necesita de un panel solar que pueda absorber casi cada fotón individual de luz,

sin tener en cuenta la posición del Sol en el cielo. El nuevo recubrimiento

antirreflectante hace esto posible.

Una célula solar de silicio no tratada sólo absorbe el 67,4 por ciento de la luz del

Sol que incide sobre ella, significando esto que se refleja, y por tanto

desaprovecha, casi un tercio de esa luz. Desde una perspectiva económica y de

eficiencia, esta luz no aprovechada es una oportunidad desperdiciada de lograr el

rendimiento adecuado de los paneles solares que conduzca a una adopción

generalizada de la energía solar.

Sin embargo, durante la investigación, después de que una superficie de silicio

fuese tratada con la nueva capa creada por Lin mediante nanoingeniería, el

material absorbió el 96,21 por ciento de la luz solar que incidió en él. Esta gran

ganancia en la absorción se mantuvo en todo el espectro de la luz del Sol

49

incidente, desde la ultravioleta a la infrarroja, pasando por la visible. Este logro

tecnológico lleva a la energía solar mucho más cerca de la viabilidad económica.

La nueva capa de Lin también resuelve con éxito el desafío de los ángulos.

La mayoría de las superficies sólo pueden absorber la luz con eficiencia dentro de

una gama específica de ángulos. Ese es el caso de los paneles solares

convencionales. Y por ello algunos paneles solares industriales poseen un

mecanismo para moverse despacio a lo largo del día para que así sus paneles se

alineen perfectamente con la posición del Sol en el cielo. Sin este movimiento

automatizado, los paneles no estarían óptimamente posicionados y por

consiguiente absorberían menos luz solar. Sin embargo, la contrapartida de este

aumento de la eficiencia es la energía necesaria para impulsar el sistema

automatizado, el costo del mantenimiento de este sistema y la posibilidad de

errores de sincronización o de alineamiento.

El descubrimiento de Lin podría volver obsoletos esos paneles solares móviles, ya

que la nueva capa antirreflectante absorbe la luz del Sol de manera uniforme

desde todos los ángulos. Esto significa que un panel solar estacionario tratado con

ese recubrimiento absorbería el 96,21 por ciento de la luz del Sol, sin importar la

posición de éste en el cielo. Así, junto con una absorción espectral

significativamente mejorada de la luz del Sol, el descubrimiento de Lin también

podría hacer posible una nueva generación de paneles solares estacionarios más

eficaces.

50

CAPITULO 3 CAPITULO III SELECCION DEL METODO DE SEGUIMIENTO .

3.1 INTRODUCCION Luego de lo revisado y analizado en el estado del arte, y siguiendo las

orientaciones de la empresa Wamtech, 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 preliminar de las siguientes

características:

♦ Según sus grados de libertad: - Sistema de seguimiento en un eje

♦ Según el control: - Control de lazo cerrado

♦ Según actuador: - Actuador activo

3.2 DISEÑO DEL PROTOTIPO Y PRIMERAS MUESTRAS

3.2.1 ANTECEDENTES Dado que los conceptos “grado de libertad” y “actuador” se encuentran

relacionados con la estructura mecánica propiamente tal, en el prototipo los

esfuerzos realizados se centraron en definir el método, sensor y lógica para el

control por lazo cerrado.

3.2.2 DEFINIENDO EL SENSOR Y METODO El sensor seleccionado fue un fotodiodo polarizado en inversa, para producir una

corriente forzada directamente proporcional a la luminosidad, tal como se observa

en la figura 3.2.1 se produce una tensión variable entre la resistencia y tierra

(GND) según la luminosidad incidente en forma directa en el fotodiodo, esta

51

tensión se conecta al conversor análogo digital (ACC) del microcontrolador, y varía

de 0 a 5 volt, correspondiendo 5v al máximo16. La sensibilidad se regula por el

resistor, el que se ajustó a 100Ω. Un valor mayor, satura fácilmente el sensor.

Figura 3.2.1 Circuito esquemático del sensor


Luego, para que el sistema FV sea realmente eficiente, debe utilizar la menor

cantidad de energía posible en todos los aspectos que lo conforman. Ante lo cual,

se agregó un Mosfet que habilita el sensor exclusivamente de día y únicamente

durante el muestreo, restringiendo la corriente que circula por el resistor de 100Ω.

El mosfet se activa sólo por voltaje y no por corriente, característica que lo hace

ideal para este fin.

Figura 3.2.2 Mosfet que habilita el sensor durante el muestreo


16 Se consideró como máximo, el fotodiodo apuntado directamente al sol a las 12:00hrs de un día soleado.

52

3.2.3 METODO DE LA INTEGRAL MOVIL PARA LOCALIZAR EL SOL Dado que ya se ha definido el sensor, se procedió a tomar muestras con él, para

determinar la mejor posición que debe adoptar el panel, de manera que logre

quedar alineado directamente con el sol.

El sensor fue montado en un servo motor que realiza un barrido en 180º

efectuando 337 muestras por barrido, es decir, una muestra por cada 0,53º.

En cada muestra el sensor capta luminosidad y genera una tensión proporcional a

ésta, que es digitalizada por el conversor análogo digital (ACC) del

microcontrolador. La resolución del ACC es de 10 BIT, por lo que la cuantificación

de la señal a medir varía entre 0 a 1023 unidades adimensionales.

Cada muestra es asociada a un ángulo, los ángulos son entregados por un

acelerómetro que se encuentra adherido al fotodiodo (por razones de costo se

utilizó un acelerómetro en vez de un encoder).

Figura 3.2.3 Detalle del prototipo con sensor de luminosidad


Para evitar errores producidos por ruido eléctrico, o reflejos de luminosidad de

ventanas sean éstas de edificios o automóviles, se recurrió al método de la

53

integral móvil, que consiste en tomar un conjunto de 40 datos de un total de 337

muestras entregadas por el ACC y guardar la suma en memoria. El algoritmo es

recursivo, pues considera los primeros 40 datos y registra su suma, luego

considera una nueva ventana desplazada en una unidad, desde el dato 2 hasta el

dato 41, y registra su suma, y así sucesivamente hasta registrar la suma de una

ventana cuya muestra se sitúa entre el dato 298 y el dato 337, completando así el

proceso. Llamemos “suma recursiva” a la columna que registra las 298 sumas de

este procedimiento. Luego, se elige el mayor valor obtenido de esta columna para

tomar una ventana de 40 datos a partir del mayor valor17.

Cada valor esta asociado a un ángulo, quedando en el valor central el punto

donde se encuentra el sol.

Para corroborar si se cumplía lo anterior, se conectó una interfaz18 serial al

microcontrolador para poder recibir las muestras por el puerto serial de un

computador, y poder analizarlas en Excel, dada la gran cantidad de muestras, se

programó una macro en VBA para realizar las sumatorias en forma automática.

El código fuente de la macro “Integral móvil” desarrollada en VBA para Excel, se

encuentra en el anexo Nº 2, mientras que las muestras adquiridas con el sensor

de luminosidad se encuentran en el anexo Nº 3 de este documento.

3.2.4 PROBLEMAS ENCONTRADOS Una vez analizadas las muestras en la planilla Excel, se procedió a graficar los

datos del ACC, y el área bajo la curva del máximo encontrado, todo esto con

respecto a la posición real del Sol. Los primeros resultados fueron satisfactorios,

pero al momento de repetir la experiencia en un día nublado de invierno se

presentaron ciertas contrariedades que no satisficieron el método escogido (ver

Fig. 3.2.5).

17 La tabla que resume esta información se encuentra en el anexo Nº 3 de este documento. 18 La interfaz serial utilizada fue una MAX232, que es un circuito integrado encargado de establecer niveles de voltajes compatibles para una transmisión serial con protocolo RS-232.

54

Tal y como se muestra en la figura 3.2.4 la posición del sol se encuentra

representada por la línea roja segmentada, y la integral correspondiente al máximo

encontrado coincide con la posición del sol.

Figura 3.2.4 Muestras de luminosidad captada un día soleado


Sin embargo, las mismas pruebas se repitieron en un día nublado de invierno,

para corroborar el buen funcionamiento del sensor, pero los resultados no fueron

los esperados, ya que la luminosidad es bastante dispersa, y la acción del viento

sobre las nubes provocan máximos en diferentes zonas, no necesariamente en la

zona que se encuentra el sol. En un comienzo esta situación se pasó por alto,

dado que lo que precisamente se buscaba era un sistema capaz de obtener mayor

energía siguiendo el sol. Si al encontrarse el día nublado el sensor captaba mayor

energía en un ángulo determinado en el cual no se encontraba el sol, no

importaba siempre y cuando se obtuviera mayor energía. Pero la idea fue

desechada, por considerarse poco eficiente, ya que, durante un día nublado los

55

máximos encontrados varían en todo momento, y por lo tanto el actuador se

encuentra en movimiento constante, orientando permanentemente los paneles FV

de Oeste a Este y viceversa, lo que representa un gasto de energía extra e

innecesario, tornando el sistema poco eficiente en términos de energía, puesto

que el sol avanza únicamente de Este a Oeste (visto desde el plano terrestre).

Tal y como se muestra en la figura 3.2.5 la posición del sol se encuentra

representada por la línea roja segmentada, y la integral correspondiente al máximo

encontrado, no coincide con la posición del sol.

Figura 3.2.5 Muestras de luminosidad captada un día nublado


Además, el buen funcionamiento del sensor implica cierto número de

mantenimientos en el tiempo, lo que encarece y complica el sistema.

56

3.2.5 SOLUCION DEFINITIVA ELEGIDA PARA EL SEGUIMIENTO. Dado que los resultados obtenidos y expuestos anteriormente no fueron los

esperados, se optó por elegir otra alternativa como solución, siendo ésta por

control de lazo abierto, manteniendo todo lo demás tal como se explicó.

♦ Según sus grados de libertad: - Sistema de seguimiento en un eje

♦ Según el control: - Control de lazo abierto

♦ Según actuador: - Actuador activo

A diferencia del control de lazo cerrado; el control de lazo abierto carece de

retroalimentación, y por lo tanto, no existen sensores conectados al sistema, que

proporcionen información. El sistema cuenta con un RTC19, y el seguimiento se

realiza en base a la hora20.

3.2.6 ANTECEDENTES Como se mencionó anteriormente, este estudio tiene como principal objetivo,

determinar experimentalmente la eficiencia energetica de un panel solar

fotovoltaico dotado con seguidor solar, versus un panel inmóvil. Utilizando datos

obtenidos a partir de mediciones controladas de terreno con un prototipo

experimental.

La siguiente figura nos muestra un esquema general del proyecto, y al

mismo tiempo nos permite diferenciar cada una de las etapas anteriormente

mencionadas.

19 Del Inglés Real Time Clock, que significa reloj de tiempo real. 20 El detalle del método seguimiento realizado por control de lazo abierto y su correspondiente implementación serán hechos en el capítulo 4 de este documento. La información técnica específica se encuentra en el anexo Nº 4

57

3.2.7 DIAGRAMA DEL SISTEMA DE CONTROL DE POSICION

Figura 3.2.6 Diagrama Conceptual del Sistema de control de posición


Figura 3.2.7 Diagrama de bloques de interconexión física


En el esquema anterior, se puede apreciar cómo los bloques de color

amarillo, representan los circuitos de potencia del sistema, mientras que los

bloques de color celeste representan el sistema de control (baja potencia) para el

control de posición, es decir, la creación de las señales de control para los

dispositivos de conmutación de alta potencia (Driver). Por otro lado, el bloque de

color verde representa el sistema mecánico. En este caso el actuador, que será el

MEDICION DE POSICION DEL PANEL SOLAR

CIRCUITO DE CONTROL

DRIVER

ACTUADOR

PANEL SOLAR

BANCO DE BATERIAS

SISTEMA DE CARGA DE BATERIA Y

REGULADOR DE VOLTAJE

CARGA SOL

58

encargado de posicionar el panel solar en diferentes azimutes. Finalmente se tiene

el bloque de color rojo, el cual está dado por la energía solar propiamente tal, la

cual incidirá en el panel.

A continuación, se detalla cada uno de los bloques especificados

anteriormente.

3.2.8 BLOQUE DE POTENCIA El bloque de potencia, está compuesto por el panel solar fotovoltaico, el

regulador de voltaje, el sistema de carga y las baterías. Se diferencia de la etapa

de control principalmente por la corriente y tensión, la cual suele ser más elevada

que la que necesita la etapa de control para funcionar. Según la aplicación o el

panel a utilizar, las tensiones características son 12, 24, 36 y 48 VCC. Es

precisamente en esta etapa donde se conecta la carga, que puede variar según la

aplicación a utilizar.

3.2.9 BLOQUE DE CONTROL El bloque de control trabaja con una tensión de 5V y 18mA, está conformado por

el circuito de control propiamente tal, formado por el PCB, microcontrolador y los

componentes electrónicos que permiten realizar el seguimiento. Posee un GPS del

cual se extrae la hora, luego un reloj de tiempo real que se actualiza con la

información del GPS, de no poder concretarse la actualización mediante el GPS,

el reloj conserva su hora hasta una nueva actualización valida. Posee un

acelerómetro21 para medir la inclinación del panel y poder posicionarlo donde se

necesita según la hora. Y un relé para accionar el motor CC encargado de mover

los paneles.

21 Componente electrónico muy útil, que entrega la inclinación con respecto a la gravedad terrestre, en este caso fue utilizado para conocer en todo momento la posición del panel solar (mas información se encuentra en el anexo Nº 4 de este documento).

59

3.2.10 BLOQUE DEL SISTEMA MECANICO Es la estructura metálica que sostiene los paneles solares en un eje con

rodamientos, además del motor CC y un vástago con hilo sin fin, que en conjunto

forman el actuador encargado de posicionar los paneles directamente al Sol.

3.2.11 BLOQUE ENERGIA SOLAR Los organismos de energía solar han establecido por convención, que la

irradiancia solar puede proveer del orden de 1000 watt por cada 1 m² de superficie

expuesta directamente al sol. Dado que los paneles FV poseen una eficiencia

determinada (del orden del 18% para paneles comerciales), sólo una parte de la

irradiancia se aprovecha en forma de energía eléctrica, el resto se encuentra

presente en forma de energía térmica.

La descripción de la tecnología utilizada, detalles y aspectos técnicos, pueden

encontrarse en el anexo Nº 4 de este trabajo.

60

CAPITULO 4 CAPITULO IV IMPLEMENTACION Y PUESTA EN MARCHA .

4.1 INTRODUCCION

Luego de lo expuesto en el capítulo 3, selección del método para

seguimiento, se procedió a implementar un nuevo prototipo para validar el método,

tomar muestras y definir la versión final para la unidad de producción.

La tecnología se aplicó a un panel solar fotovoltaico, para realizar un seguimiento

que coincida con la eclíptica (movimiento aparente del sol visto desde la tierra).

El sistema posee 2 ejes: el eje de elevación que es fijo, y el eje de recorrido que

es el móvil, sin embargo, como el seguimiento 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 panel normal al sol durante dicho

seguimiento.

Finalmente, las mediciones registradas en el capítulo 5 proporcionaron los datos

necesarios para realizar una comparación entre el panel fijo y el móvil.

4.2 DEFINIENDO EL EJE DE ELEVACION Como se trata de un sistema seguidor solar de un eje, se definió22 la mejor

elevación que debe tener el eje estático (eje de elevación), para que se realice un

seguimiento en azimut, que coincida con la trayectoria descrita por el sol con

respecto al plano terrestre.

A partir de las siguientes ecuaciones, se calculó la elevación angular solar máxima

alcanzada durante el solsticio de invierno y verano, que ocurre el 21 de junio y el

21 de diciembre respectivamente.

22 http://www.geografia.us.es/web/contenidos/profesores/materiales/archivos/PRACTICA2.pdf

61

4.2.1 CALCULO DE LAS COORDENADAS SOLARES

4.2.1.1 Cálculo de la declinación solar

Donde: J = nº del día del año desde 1 de enero = 1 hasta 31 de diciembre = 365.

4.2.1.2 Cálculo de la elevación angular solar para cada hora

Donde L = Latitud, h = Angulo horario, el cual se calcula para cada hora sabiendo

que a las 12 del mediodía vale 0º y que el sol recorre 15º en cada hora, de forma

tal que a las 11 de la mañana valdrá -15º, a las 10 de la mañana -30º y así

sucesivamente. Lo mismo sucedería por la tarde, pero con signo positivo, siendo

el ángulo horario de +15º a las 13 horas, +30º a las 14 horas y así sucesivamente.

También se podría calcular directamente a partir del conocimiento de la latitud, la

declinación y la hora del día. De todos modos, es útil conocer el método de cálculo

de la duración del día o de la hora del orto y el ocaso o de la duración del día.

4.2.1.3 Cálculo del azimut de cada hora

Los cálculos fueron realizados con las coordenadas geográficas de Santiago,

obtenidas de la Dirección Meteorológica23 de Chile. Se utilizó la expresión Cos(0º),

que corresponde a las 12:00, hora en el cual el sol se encuentra en su máxima

elevación angular. Las fechas utilizadas fueron 21 de junio y 21 de diciembre, que

corresponden a ambos solsticios (día Nº 172 y día Nº 355) y el promedio de

ambas que coincide con los equinoccios.

23 http://www.meteochile.cl/climas/climas_localidades.html Santiago está situado en los 33º 27` de latitud Sur, 70º 42` de longitud Oeste.

62

Al reemplazar estos valores en la ecuación para el cálculo de la declinación solar,

se obtienen los correspondientes ángulos δ, con los que se realiza el cálculo de la

elevación angular solar, obteniendo:

- Solsticio Invierno 33,28º

- Equinoccios 56,73º

- Solsticio Verano 80,18º

Figura 4.2.1 Eje de elevación del panel, 3 elevaciones durante el año


Tal como se muestra en la figura anterior, el sol tiene su salida por Este y su

ocaso por Oeste, con distintas elevaciones angulares según la estación del año. El

sistema de seguimiento gira los paneles de Este a Oeste, con una elevación fija.

Los paneles se encuentran Normal al Sol, es decir, que el sol forma un ángulo de

90º con el panel.

63

4.3 FUNCIONAMIENTO GENERAL El funcionamiento general del circuito se encuentra resumido en el diagrama de

flujo, en el cual se explica que el seguimiento del sol se realiza por control de lazo

abierto, 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 acelerómetro, dispositivo que mide la aceleración y las fuerzas

inducidas por la gravedad, lo que permite detectar el movimiento o giro. El

acelerómetro entrega niveles de voltajes proporcionales a la aceleración, los que

son procesados por el micro controlador y de esta forma se puede conocer la

inclinación del panel solar en todo momento. Este dispositivo, se encuentra en el

circuito de control el que a su vez es solidario al panel. Con respecto al circuito del

seguidor propiamente tal: el microcontrolador recibe información entregada por el

GPS, del cual se extrae la fecha, hora, latitud, y longitud, luego el microcontrolador

actualiza la hora del reloj de tiempo real (RTC), en caso de que el GPS no pueda

conectarse con los satélites, el RTC conservará la hora de la última actualización

con la cual continuará trabajando el sistema hasta que se logre realizar una nueva

actualización de los datos. Con la información obtenida se procede a realizar el

cálculo de posición solar, para realizar el seguimiento con los paneles. El GPS

entrega la hora correspondiente al meridiano de Greenwich, entonces el

microcontrolador descuenta los husos horarios correspondientes para quedar en

GMT-4, que es el huso horario que le corresponde a Chile. Por ejemplo, si el GPS

entrega las 16:00hrs, es porque en Chile son las 12:00hrs. Luego el

microcontrolador lee la posición del panel 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 panel 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, el

64

seguidor podría moverse de Oeste a Este durante el día, para quedar alineado con

el sol, desde luego esto sólo ocurrirá una vez, a partir de aquel instante el

seguimiento se realiza únicamente en sentido Este Oeste. El actuador en conjunto

con los paneles FV tienen un recorrido mecánico de 120º, por lo tanto los 60º del

recorrido corresponden a la hora 0º o 12:00hrs, que es el momento en el cual es

sol alcanza su máxima elevación angular. Finalmente, a partir de las 12:00hrs los

paneles deben estar en 60º de su ángulo de recorrido y cada 24 horas repetir el

ciclo. Una vez logrado esto, el circuito se encargará de mover los paneles

fotovoltaicos de Este a Oeste, coincidiendo cada 24hr con la posición que le

corresponde. 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 FV 5º cada 20

minutos, hasta alcanzar los 120º que es el término del eje de recorrido o límite

Oeste. Una vez ahí el reloj (RTC), espera hasta las 23:00hrs 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.

Figura 4.3.1 Eje de recorrido del panel, el seguimiento se realiza 5º cada 20min


65

4.3.1 DIAGRAMA DE FLUJO

Si

No

Lee GPS

Actualiza Hora RTC, obtiene Lat. Long.

Lee hora RTC y calcula Corrección Horaria según Lat. y Long.

Lee Posición Panel

Driver ON FW Oeste

Driver ON RW Este

Si ¿Posición corresponde a la hora? No

Esperar 20min

Inicio

Driver ON RW Este

1

¿Posición panel >= limite E?

1

¿Se debe mover panel al Oeste?

No

Si

Si

No

No

Si ¿RTC>=23:00 hrs?

¿GPS disponible?

Delay

Esperar 7 horas

Driver OFF

Driver OFF

Lee Posición Panel

66

4.4 ESQUEMATICO Tal como se puede apreciar en la figura 4.4.1, y siguiendo la lógica presentada en

el diagrama de flujo, se elaboró el esquemático compuesto principalmente por

semiconductores los cuales fueron descritos en el anexo Nº 4, dentro de los

cuales destacan de manera general un microcontrolador, un Reloj de tiempo real

(RTC), un sistema de posicionamiento global satelital (GPS), un acelerómetro, y

un driver para controlar el motor CC. El resto de los componentes electrónicos

corresponden al puerto de comunicación, filtros de ruido para estabilizar la fuente

de poder, y señales entre los periféricos.

Figura 4.4.1 Esquemático del circuito de control


67

Luego, y siguiendo el esquemático se procedió a fabricar un prototipo, para

realizar pruebas y definir la versión para el producto final.

Figura 4.4.2 Vista superior PCB prototipo


Figura 4.4.3 Vista inferior PCB prototipo Fuente: Elaboración propia (año 2009)

PWM

Cristal oscilador

Pte. H

Pte. Graetz

Micro controlador

Fte. Poder Cto.

RTC

Acelerómetro

68

4.4.1 PROBLEMAS ENCONTRADOS Luego de realizar pruebas con el prototipo se encontraron algunos problemas, que

fueron solucionados y considerados en la versión final en la unidad de producción.

4.4.1.1 Problema con el voltaje y corriente en el motor CC. Generalmente en las instalaciones fotovoltaicas, los arreglos de paneles solares

conectados en serie generan las siguientes tensiones: 12, 24, 36, y 48VCC, salvo

algunas excepciones en las que se utilizan tensiones específicas para una

aplicación particular o porque el panel FV viene fabricado con una tensión nominal

especial distinta de las mencionadas.

El motor CC del actuador funciona con una tensión nominal de 12VCC, en caso de

que el arreglo fotovoltaico genere una tensión superior a ésta, el microcontrolador

genera una señal PWM en el puente H (Driver para accionar el motor CC),

controlando la tensión en el motor, manteniendo un voltaje medio de 12V

(Equivalente a 12VCC, pero en forma de pulsos), sin embargo, el puente H

soporta como máximo voltaje de entrada una tensión de 36VCC, lo que no es

suficiente si se quisiera trabajar con un arreglo de 48VCC, por lo tanto fue

reemplazado por 3 micro relés, 2 para la inversión de giro, y uno de seguridad

para cortar el suministro eléctrico en toda la línea de alimentación de la carga

(motor). Los relés utilizados fueron de 1 contacto normal abierto y un contacto

normal cerrado (1NA y 1NC). La modulación del PWM se realiza a través de un

mosfet encapsulado TO-220 el IRFz24 que soporta hasta 55VCC en la entrada, lo

que otorga mayor flexibilidad si se quisiera trabajar con otras tensiones del arreglo

fotovoltaico.

Por otra parte se hizo necesario incorporar un circuito de control de corriente, para

limitar la corriente del motor CC en caso de que éste se atascara, lo que evita

quemar las bobinas internas de los devanados del motor. El circuito utilizado fue

un LM31724 en configuración “limitador de corriente”

24 Mas información en el anexo Nº 4 descripción de la tecnología.

69

Figura 4.4.4 Componentes agregados, para mejorar el circuito


4.4.1.2 Problema con el límite de fin de carrera. El actuador mecánico tiene un recorrido limitado por un punto de inicio y otro de

término, que equivale a los 120º del eje de recorrido, es importante conocer y

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 acelerómetro que permite controlar la posición del panel, y por lo tanto,

mantener el eje de recorrido dentro de 120º sin traspasar los umbrales críticos. Sin

embargo, bajo ciertas condiciones de viento intenso la respuesta del acelerómetro

llegó con un pequeño error, el cual permitió que el actuador alcanzara 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.

Se utilizaron interruptores magnéticos, ya que son totalmente herméticos, lo que

les brinda mayor resistencia al exponerlos a la humedad de la intemperie.

70

Un interruptor magnético funciona parecido a un relé, tal como se aprecia en la

figura 4.4.5, se compone de un imán permanente y de un interruptor sensible al

campo magnético que genera dicho imán, de esta forma si se acercan a una

distancia del orden de 1cm, el interruptor cierra el circuito por el magnetismo

inducido, deteniendo el motor justo antes de que lleguen a entrar en contacto

físico. Gracias al efecto magnético se evitó la utilización de un interruptor de

contacto, que posee una vida útil corta, por el desgaste mecánico del contacto

propiamente tal.

Figura 4.4.5 Interruptor Magnético utilizado para los límites Este Oeste

Fuente: http://www.caraudioacapulco.com/images/DEI8600.jpg

71

Finalmente una vez incorporado los cambios, se realizaron nuevas pruebas, para

validar el prototipo y obtener la versión final que sirvió como unidad de producción.

Figura 4.4.6 Vista superior PCB producto final

Fuente: Wamtech

Figura 4.4.7 Vista inferior PCB producto final

Fuente: Wamtech

Inversión de giro motor panel y PWM

Puertos de comunicación

Micro controlador

y cristal oscilador

GPS

Acelerómetro

RTC

72

Figura 4.4.8 Secuencia de fotos, del seguidor solar instalado Fuente: Elaboración propia (año 2009)

Figura 4.4.9 Panel fijo y con seguidor solar, instalado bajo las mismas condiciones


73

CAPITULO 5 CAPITULO V ANALISIS DE LOS RESULTADOS .

5.1 INTRODUCCION El análisis de los resultados constituye uno de los capítulos 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.

En primer término se realiza un análisis teórico utilizando fórmulas existentes e

información proporcionada por los fabricantes de paneles solares, luego un

análisis de los datos obtenidos para corroborar con la teoría.

El presente capítulo aborda los siguientes aspectos: ♦ Entrega terminología básica referente a la energía.

♦ Describe brevemente la transformación de energía solar a eléctrica, las

pérdidas por temperatura y eficiencia energética.

♦ Se presentan los datos obtenidos a partir de mediciones controladas de

terreno para su posterior análisis.

5.2 CONCEPTOS BASICOS SOBRE ENERGIA Para poder hablar de eficiencia energética y de energía, primero se debe definir

qué es la energía. El término energía proviene del Griego energos que significa

fuerza de acción o fuerza trabajando y se encuentra asociado a fuerzas o

movimientos, sin embargo, no se puede ver, sólo se aprecian sus efectos.

En forma similar a como ocurre con otros muchos conceptos y definiciones en la

ciencia, el concepto “energía” ha ido evolucionando, ampliándose y

perfeccionándose con el transcurso de los años. Si en los textos de hace 50 años

era posible encontrar en los libros de texto definiciones tales como: “la energía de

un cuerpo puede ser definida, en sentido amplio, como su capacidad para hacer

trabajo” [15], hoy día muchos consideran que ésta definición es inexacta, al menos

74

por dos razones. En primer lugar, muchos autores modernos dedicados a temas

termodinámicos consideran trabajo y calor como formas de transmisión de la

energía, y el trabajo queda definido como energía en tránsito25. Si se combinan los

criterios “energía = capacidad para hacer trabajo” y “trabajo = energía en tránsito”

quedaría que la energía es algo así como “su capacidad de transmitirse”, lo que

carece de utilidad práctica por su excesiva generalidad.

En segundo lugar, los cuerpos o sistemas siempre tienen energía, aún cuando esa

energía haya perdido su capacidad para realizar trabajo. Veamos esto último más

detalladamente. La energía se puede degradar (perder la capacidad de

transmitirse en forma de trabajo útil) aunque durante el proceso no hayan existido

pérdidas de energía. La medida de la degradación de la energía viene dada por el

incremento de la entropía, otra propiedad termodinámica de los sistemas muy bien

conocida y estudiada, aunque mucho menos popularizada que el concepto de

energía. Sin embargo, no es necesario conocer las particularidades de la función

entropía ni poseer un entrenamiento especializado en Termodinámica para

comprender el significado de la degradación de la energía. Para ello considere el

siguiente ejemplo. La energía almacenada en un gramo de combustible puede

hacer girar las ruedas y mover un vehículo varios metros al combustionar, lo que

equivale a transmitirse en forma de trabajo útil. Durante la combustión también se

produce cierta transferencia de energía en forma de calor, que eleva la

temperatura de las piezas internas del motor (incremento de energía térmica). La

suma de las energías que aparecen en forma de: movimiento + energía térmica +

energía de los residuos de la combustión es exactamente la misma que estaba

almacenada en el combustible (principio de conservación de la energía).

Eventualmente, la energía que adquirió el vehículo en movimiento también se

transformará en energía térmica, a causa de la fricción de las partes móviles del

motor, de la carrocería con el aire y de las ruedas con el pavimento y los frenos.

Finalmente, esa energía térmica no desaparece, sino que pasa al medio ambiente.

La energía almacenada inicialmente en el combustible no se pierde, pero la

25 En forma macroscópica u ordenada, para diferenciarlo del calor, la otra forma (microscópica y desordenada) de transmisión de la energía.

75

energía térmica resultante en el proceso ya no puede volver a ser aprovechada

para mover el vehículo. Por tanto, durante el proceso la energía ha perdido su

capacidad de transmitirse en forma de trabajo (se ha degradado). Como la energía

degradada no se puede utilizar nuevamente para obtener trabajo, la definición de

energía como “capacidad de hacer trabajo” no parece ser totalmente general.

Otros conceptos de energía, tal como “la energía es una medida del movimiento”,

introducida por los filósofos materialistas del siglo XIX, entran en contradicción con

los textos contemporáneos de física, donde es posible encontrar energías

descubiertas posteriormente que no están asociadas al movimiento. Por citar sólo

un ejemplo, en referencia a la famosa relación de Einstein entre la masa y la

energía (1905) un conocido texto de física afirma [16]: “... podemos aseverar que

un cuerpo en reposo tiene una energía E0=mc2 en virtud de su masa en reposo. A

ésta cantidad se le llama energía en reposo”... y es adicional a la energía asociada

al movimiento de la partícula. Esta indefinición asociada a la energía, aunque

muchas veces conocida, es obviada o soslayada en la mayoría de los libros de

texto. Una excepción notable puede encontrarse en The Feynman Lectures on

Physics [17]. La discusión del tema comienza introduciendo el principio de

conservación de la energía, sin definir esta última previamente. Tras ilustrar el

principio con algunos ejemplos, se afirma posteriormente que la energía tiene un

gran número de formas diferentes, cada una con su correspondiente fórmula

asociada: gravitatoria, cinética, radiante, nuclear, eléctrica, química, elástica,

térmica, másica, para luego concluir el razonamiento de la siguiente manera: “Es

importante notar que en la física de hoy día no tenemos conocimiento acerca de lo

que es la energía. Es un algo abstracto en el sentido que no nos dice el

mecanismo o las razones para las diversas fórmulas”. Tampoco faltan intentos

mas recientes de dar una definición general de energía, ligados a la sugerencia de

impartir la mecánica de forma “novedosa”, comenzando los cursos por los

conceptos de trabajo y energía. Así, por Ej., citamos: “Un cuerpo posee energía

cuando puede producir cambios o transformaciones en otros cuerpos o en sí

mismo” [18], definición que sugiere que después que cesa el cambio o la

transformación los sistemas ya no tienen energía. Aún más, a diferencia de las

76

otras dos definiciones analizadas anteriormente, donde se mencionaba el trabajo o

el movimiento, en este caso ni siquiera aparece el intento de asociar la definición a

la medición de alguna otra magnitud física. De hecho, hoy día es prácticamente

imposible encontrar en los libros de texto una definición generalizada de energía

que no pueda ser impugnada por una razón u otra. ¿Cómo introducir, entonces, el

concepto de energía?, resulta un poco complicado por lo anteriormente expuesto,

sin embargo, de alguna u otra forma se debe abordar este concepto, ya que

constituye parte fundamental del tema de tesis a tratar, consecuentemente se

puede decir que la energía se mide en joules (J), que no se puede crear ni

destruir, y cuando se cree que desaparece sólo se ha convertido en otra forma de

energía, en efecto la ley de la conservación de la energía establece, que: “ésta no

se pierde, sólo se transforma”. Bajo esta perspectiva por ahora se aceptó el

concepto de energía como la capacidad para realizar trabajo.

5.3 CLASIFICACION DE LA ENERGIA 5.3.1 SEGUN SU FORMA

- Energía Eléctrica

- Energía Mecánica

- Energía Nuclear

- Energía Química

- Energía Radiante

- Energía Térmica

5.3.2 SEGUN SU FUENTE 5.3.2.1 Fuentes de energía no renovables

- Carbón

- Gas

- Hulla

- Petróleo

- Uranio

77

5.3.2.2 Fuentes de energía renovables

- Biomasa

- Eólica

- Geotérmica

- Mareomotriz

- Potencial Gravitatoria

- Solar

5.4 ALMACENAMIENTO Y TRANSMISION DE ENERGÍA 5.4.1 GENERALIDADES Existen numerosos métodos para almacenar, transmitir o transformar las

diferentes formas de energía en otras más convenientes, no obstante, y a modo

de no extenderse innecesariamente, en esta parte sólo se mencionará la

transformación de energía radiante (solar) en energía eléctrica y su posterior

almacenamiento mediante baterías (energía química), como parte fundamental de

un sistema solar fotovoltaico básico.

5.4.2 ANTECEDENTES Unas formas de energía pueden transformarse en otras, en estas

transformaciones la energía se degrada, pierde calidad. En toda transformación,

parte de la energía se convierte en calor o energía calorífica.

Cualquier tipo de energía puede transformarse íntegramente en calor; pero, éste

no puede transformarse íntegramente en otro tipo de energía. Se dice, entonces,

que el calor es una forma degradada de energía.

Son ejemplos:

- La energía eléctrica, al pasar por una resistencia.

- La energía química, en la combustión de algunas sustancias.

- La energía mecánica, por choque o rozamiento.

78

Se define, por tanto, el Rendimiento como la relación (en % por ciento) entre la

energía útil obtenida y la energía aportada en una transformación.

R = (Energía útil / Energía total) * 100

El Trabajo es una de las formas de transmisión de energía entre los cuerpos. Para

realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se

desplace.

El trabajo, W, de una fuerza aplicada a un cuerpo es igual al producto de la

componente de la fuerza en la dirección del movimiento, Fx, por el

desplazamiento, s, del cuerpo.

El trabajo, W, se mide en joules (J). La fuerza se mide en newton (N) y el

desplazamiento en metros (m).

W = Fx·s

La Potencia es la relación entre el trabajo realizado y el tiempo empleado. Se mide

en watt en el Sistema Internacional.

La potencia mide la rapidez con que se efectúa un trabajo, es decir, la rapidez con

que tiene lugar la transferencia de energía desde un cuerpo a otro.

P = ∆W / ∆t

5.4.3 TRANSFORMACION DE ENERGIA SOLAR A ELECTRICA La transformación de energía solar a energía eléctrica se realiza gracias al

principio fotovoltaico, el que puede ser descrito de manera sencilla como la

irradiancia solar que penetra en una célula fotovoltaica y transfiere suficiente

energía como para liberar electrones los que producen una diferencia de potencial

generando una corriente eléctrica en cada celda. Estas a su vez se conectan entre

si para generar diferentes arreglos dando origen al panel solar fotovoltaico. Luego

la energía eléctrica obtenida se procede a almacenar en baterías por medio de un

79

sistema de carga de batería y regulador de voltaje, la energía eléctrica se

almacena en una batería como energía química.

5.4.4 LA BATERIA COMO ACUMULADOR La Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente

acumulador, se denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando

procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su

totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata

de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede

funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo

que se denomina proceso de carga. La capacidad de una batería (acumulador), se

especifica por medio del número máximo de amperios que puede dar en una hora.

Así, un acumulador de 10 Amperios-hora, es un elemento que puede suministrar

una corriente de 10 amperios durante una hora. Si la corriente de descarga es

menor que su capacidad máxima, la pila puede suministrarla durante más tiempo

que una hora. Por ejemplo, un acumulador de 10 Amperios-hora, puede dar 1

amperio durante 10 horas, de la misma forma, la capacidad de corriente será

proporcionalmente más grande por un tiempo más pequeño, como por ejemplo,

100 amperes por 1/10 de hora, o sea por 6 minutos. El producto de la corriente en

amperios y del tiempo en horas no puede exceder la relación amperio-hora de

una batería determinada.

Figura 5.4.1 Relación amperios hora en una batería

Fuente: http://www.sapiensman.com/electrotecnia/pilas_y_baterias2.htm

80

5.4.4.1 Principios de funcionamiento El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en un proceso

reversible llamado reducción-oxidación (también conocida como redox), un

proceso en el cual uno de los componentes se oxida (gana electrones) y el otro se

reduce (pierde electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten

consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de oxidación,

que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas.

Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito

externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente,

igualmente externa, durante la carga.

Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que

parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el

proceso denominado electrólisis, y en los generadores voltaicos o pilas. Los

investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a

esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización.

Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus

límites alcanzables, y consta, en general, de dos electrodos, del mismo o de

distinto material, sumergidos en un electrolito. Actualmente existen los siguientes

tipos de acumuladores:

- Acumulador de plomo

- Batería alcalina

- Baterías alcalinas de manganeso

- Baterías de Plomo (Pb)

- Baterías de níquel-cadmio (Ni-Cd)

- Baterías de níquel-hidruro metálico (Ni-MH)

- Baterías de iones de litio (Li-ion)

- Baterías de polímero de litio (Li-poli)

- Pilas de combustible

- Condensador de alta capacidad o Supercapacitores

81

Tipo Energía / peso Tensión por

elemento (V)

Duración (número de recargas)

Tiempo de carga

Auto-descarga

por mes (% del total)

Plomo 30-50 Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 %

Ni-Cd 48-80 Wh/kg 1,25 V 500 10-14h26 30%

Ni-Mh 60-120 Wh/kg 1,25 V 1000 2h-4h 20 %

Li-ion 110-160 Wh/kg 3,16 V 4000 2h-4h 25 %

Li-Po 100-130 Wh/kg 3,7 V 5000 1h-1,5h 10%

Súpercapacitores 10-30 Wh/kg 2,5 V 40.000 Segundos 65%

Tabla 5 Tabla comparativa de los diferentes tipos de acumulador Fuente: Elaboración propia (año 2010)

5.5 COMPORTAMIENTO TEORICO DEL PANEL SOLAR

5.5.1 RENDIMIENTO, PERDIDAS ANGULARES Y POR TEMPERATURA

5.5.1.1 Pérdidas por ángulo de incidencia. Por otra parte existe el rendimiento según el ángulo de incidencia. Cuando el

panel se encuentra Normal (90º) a la Irradiancia solar, éste alcanzará su máxima

eficiencia, a medida que el ángulo se modifica durante el día por el paso del sol, la

eficiencia disminuye.

En la figura 5.5.1 se puede apreciar la radiación directa solar sobre superficies

horizontal e inclinada, para ambos casos la eficiencia se puede calcular utilizando

las siguientes fórmulas:

Caso (a) R = Io*Cosθs

Caso (b) R = Io*(Cosθs-Cosθn)

26 Las baterías de Ni-Cd se pueden cargar hasta en 30 minutos, con cargas rápidas, pero disminuye su vida útil, al calentarse en exceso, siendo las únicas que admiten este tipo de cargas.

82

Figura 5.5.1 Radiación directa solar sobre superficies horizontal e inclinada Fuente: http://es.libros.redsauce.net/index.php?pageID=12

5.5.1.2 Pérdidas por temperatura Los organismos de energía solar han establecido por convención, que se pueden

obtener del orden de 1000 watt por metro cuadrado de superficie expuesta

directamente al sol, sin embargo, los paneles fotovoltaicos comerciales poseen

una eficiencia energética del orden del 14 al 18% a 25º C lo que significa que por

cada un metro cuadrado de panel solar fotovoltaico se pueden obtener del orden

de 180 watt, si la “energía no se destruye, sólo transforma”, ¿Qué ocurre con los

820 watt restantes?, lo que ocurre es que se encuentran presentes en forma de

energía térmica, en efecto cuando un panel solar se expone al sol, su superficie se

calienta alcanzando temperaturas de hasta 60º C, lo que al mismo tiempo

disminuye el rendimiento del panel en un 15%, ya que la resistividad eléctrica de

un conductor aumenta gradualmente a medida que la temperatura se eleva, por el

contrario si la temperatura disminuye por debajo de los 0º C, el conductor reduce

83

su resistencia, aumentando su conductividad27. En el caso del panel, las pérdidas

por temperatura (Tk) son:

Tk = (Io*Kp* - 0,44 [% /ºC])*(Tºa-Tºf) Donde: R: Rendimiento

Io: Irradiancia solar, 1000 watt/m²

Kp: Eficiencia del panel

Tk: Rendimiento por temperatura

Tºa: Temperatura ambiente

Tºf: Temperatura del fabricante (25º C)

θ: Angulo complementario a α

α: Elevación solar con respecto al plano terrestre

Las pruebas realizadas por los fabricantes de paneles solares, se realizan en

laboratorios bajo condiciones ideales a temperaturas de 25º C, lo que significa que

a partir de aquel umbral, si se eleva la temperatura el panel reduce su eficiencia

0,44% por cada 1º C, disminuyendo su rendimiento en un 15.4% a 60º C, es decir,

si por cada 1m² de panel solar FV con eficiencia del 18% se obtienen 180 watt/m²

a 25º C, al aumentar la temperatura a 60º C se obtendrán del orden de 152.28

watt/m², equivalente a una eficiencia del 15.22%. Dicha diferencia de 27,72 watt

en desmedro no es menor, por lo que el fenómeno de la temperatura simplemente

no puede considerarse despreciable si se trata de eficiencia energética.

5.5.1.3 Rendimiento Por lo tanto una ecuación para determinar el rendimiento del panel solar FV es:

R = (Io*Kp + Tk) * (Cosθs-Cosθn)

27 La resistividad de un conductor es regulada en cierta manera por la temperatura. Al enfriar un material a 0 Kelvin este disminuye su valor ohmico, volviéndose un superconductor. La superconductividad fue descubierta en 1911 por el físico holandés Heike Kamerlingh Onnes. Se obtiene con temperaturas extremadamente bajas, ocasionando resistencia = 0 o una elevada admitancia (G) que se mide en Siemens (S). La admitancia es lo opuesto a la resistencia y se define como G = R – 1 [19] y [20]

84

5.5.2 SIMULACION DEL COMPORTAMIENTO DEL PANEL SOLAR Con la ecuación del rendimiento del panel, se procedió a simular la potencia

instantánea que se podría obtener por metro cuadrado de panel solar, en

condiciones de un día soleado, para panel con y sin seguidor solar, considerando

una irradiancia permanente de 1000 watt/m² y un panel con eficiencia del 18%.

Panel Fijo Panel Móvil Hora

TºC watt*m² <º θ <º α Energía [Watt*h] TºC watt*m² <º θ <º α Energía

[Watt*h] 7:16 14 0,00 90 0 0,00 27 0,00 90 0 0,00 7:32 15 64,27 70 20 17,37 27 75,40 65 25 20,38 7:48 17 93,37 60 30 25,23 29 160,62 25 65 43,41 8:04 18 106,42 55 35 28,76 29 176,99 3 87 47,83 8:21 20 118,50 50 40 32,03 30 175,93 2 88 47,55 8:37 21 133,96 43 47 36,21 30 176,01 1 89 47,57 8:53 23 145,34 37 53 39,28 32 174,85 0 90 47,26 9:09 24 151,62 33 57 40,98 33 173,66 0 90 46,94 9:25 27 156,05 29 61 42,17 38 170,10 0 90 45,97 9:42 30 159,55 25 65 43,12 41 167,72 0 90 45,33 9:58 38 157,71 22 68 42,63 45 164,16 0 90 44,37

10:14 41 158,59 19 71 42,86 50 160,60 0 90 43,40 10:30 48 154,71 17 73 41,81 53 158,22 0 90 42,76 10:47 53 154,76 12 78 41,83 53 158,22 0 90 42,76 11:03 55 155,86 4 86 42,12 55 156,24 0 90 42,23 11:19 57 154,28 4 86 41,70 57 154,66 0 90 41,80 11:35 59 152,98 2 88 41,35 59 153,07 0 90 41,37 11:51 59 152,98 2 88 41,35 60 152,28 0 90 41,16 12:08 60 152,28 0 90 41,16 61 151,49 0 90 40,94 12:24 59 152,98 2 88 41,35 60 152,28 0 90 41,16 12:40 59 152,98 2 88 41,35 59 153,07 0 90 41,37 12:56 57 154,28 4 86 41,70 57 154,66 0 90 41,80 13:12 55 155,86 4 86 42,12 55 156,24 0 90 42,23 13:29 53 154,76 12 78 41,83 53 158,22 0 90 42,76 13:45 48 154,71 17 73 41,81 53 158,22 0 90 42,76 14:01 41 158,59 19 71 42,86 50 160,60 0 90 43,40 14:17 38 157,71 22 68 42,63 45 164,16 0 90 44,37 14:34 30 159,55 25 65 43,12 41 167,72 0 90 45,33 14:50 27 156,05 29 61 42,17 38 170,10 0 90 45,97 15:06 24 151,62 33 57 40,98 33 173,66 0 90 46,94 15:22 23 145,34 37 53 39,28 32 174,85 0 90 47,26 15:38 21 133,96 43 47 36,21 30 176,01 1 89 47,57 15:55 20 118,50 50 40 32,03 30 175,93 2 88 47,55 16:11 18 106,42 55 35 28,76 29 176,99 3 87 47,83 16:27 17 93,37 60 30 25,23 29 160,62 25 65 43,41 16:43 15 64,27 70 20 17,37 27 75,40 65 25 20,38 17:00 14 0,00 90 0 0,00 27 0,00 90 0 0,00 Total [Watt*h]: 1322,75 Total [Watt*h]: 1505,13

Tabla 6 Potencia instantánea obtenida por metro cuadrado en teoría Fuente: Elaboración propia (año 2010)

85

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

7:16 8:04 8:53 9:42 10:30 11:19 12:08 12:56 13:45 14:34 15:22 16:11 17:00

Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Figura 5.5.2 Curva teórica de potencia instantánea por m² con panel fijo


0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

7:16 8:04 8:53 9:42 10:30 11:19 12:08 12:56 13:45 14:34 15:22 16:11 17:00

Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Figura 5.5.3 Curva teórica de potencia instantánea por m² con panel móvil


86

Superposición de ambas curvas con panel fijo y móvil

02040

6080

100120

140160180

7:16 8:21 9:25 10:30 11:35 12:40 13:45 14:50 15:55 17:00Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Móvil Fijo Figura 5.5.4 Comparación teórica de las curvas de energía obtenida con sistema fijo y móvil


La tabla 4 sirve para dar una idea del comportamiento del panel en términos de

energía, sin embargo, no es del todo exacta, ya que se consideró una irradiancia

solar permanente y claramente ésta varía durante el día sobre todo al amanecer y

atardecer. Además la temperatura se distribuyó normalmente a lo largo de la tabla

y obviamente no es así, ya que depende de la hora, latitud, y superficie expuesta

directamente al sol.

Al realizar una comparación teórica de la energía obtenida con ambos sistemas,

se obtuvo 1322,75 [Watt * hora] en un día soleado para el sistema fijo, y 1505,13

[Watt * hora] en un día soleado para el sistema móvil, lo que representa una

ganancia del orden del 13,79%.

87

5.6 ANALISIS DE LOS RESULTADOS 5.6.1 DATOS DE MEDICIONES CONTROLADAS DE TERRENO Para corroborar el objetivo central planteado en el inicio de este documento, se

realizó la comprobación empírica con datos correspondientes a mediciones

controladas de terreno. Los datos fueron obtenidos durante 24 días de verano en

los meses de Diciembre del 2009, Enero y Febrero del 2010, alcanzando 4056

muestras las que fueron adquiridas a través de un equipo electrónico denominado

Wamlinker que fabrica la empresa Wamtech que patrocinó el presente estudio. El

dispositivo posee 8 entradas analógicas y se configuró para tomar muestras cada

5 minutos.

Los datos recopilados fueron procesados, entregando información con la que se

realizó el respectivo análisis.

5.6.2 METODO Y PROCEDIMIENTO Dada la no linealidad del sistema de carga de batería, regulador de voltaje y de las

baterías propiamente tal, se decidió conectar al panel solar una carga lineal, para

facilitar el análisis y las mediciones. La carga fue un resistor de 2,3Ω 80w,

conectado con el panel solar y a un equipo Wamlinker a uno de los canales que

posee un conversor análogo digital, el equipo registró las variaciones de tensión

acaecidas durante las horas luz, durante 24 días no consecutivos, lo que permitió

obtener una curva de datos por cada día. Al conocer el valor de R y obteniendo el

voltaje en cada muestra se obtuvo la potencia instantánea en watt al reemplazar

los valores en la siguiente fórmula:

P = V² / R

Luego se integró el área bajo la curva de la potencia instantánea registrada. Al no

contar con una función matemática que representara las distintas curvas de todos

los días, se recurrió al método de la suma de Riemann, multiplicando la potencia

instantánea por las diferencias de tiempo de cada muestra con respecto a la

88

muestra anterior, lo que indicó como resultado la energía obtenida expresada en

watt*hora por día, utilizando la siguiente expresión:

Watt * hora = P [Watt] * ( ∆ts / 3600)

5.6.3 RESULTADOS Se calculó el promedio de energía diaria (watt * hora) a lo largo de 24 días en un

mismo instante de tiempo (cada 5 minutos), tanto para el panel fijo como para el

panel móvil, con el objetivo de establecer las diferencias entre ambos sistemas en

términos de energía. Una vez realizadas las mediciones, se establecieron dos

criterios de comparación: El primero, considerar toda el área bajo al curva, es

decir, todos los watt * hora obtenidos a partir de una tensión mayor o igual a 0V, y

el segundo considerar sólo el área bajo la curva que corresponde a los watt * hora

útiles que se pueden obtener durante un día soleado, es decir, aquellos watt * hora

que se obtienen únicamente a una tensión mayor o igual a 12V, considerada como

el umbral mínimo para operar en sistemas fotovoltaicos y para poder cargar

baterías eléctricas.

Los resultados obtenidos se reflejan en la tabla 6, tal como se muestra, hubo 3

casos: El caso “A” días nublados con panel fijo, el caso “B “días despejados con

panel fijo, y el caso “C” días despejados con panel móvil, para efectos del análisis

sólo se consideró el caso B y C para realizar una estimación de la energía en

ambas situaciones y para los dos criterios. Consecuentemente al seguir el sol, se

obtiene una ganancia de energía del orden del 14%.

Promedio de energía obtenida en un día nublado con panel Fijo (caso A)

Promedio de energía obtenida

en un día despejado con

panel Fijo (caso B)

Promedio de energía obtenida en un día

despejado con panel Móvil (caso C)

Umbral de

tensión

Ganancia de energía con

seguidor solar en un día despejado

(Casos B-C)

456,29 [watt*h] 552,58 [watt*h] 629,78 [watt*h] 0,00 [v] 13,97%

Tabla 7 Comparación entre ambos sistemas, panel fijo y móvil Fuente: Elaboración propia (año 2010)

89

DIA PROMEDIO (Nublado) DIA PROMEDIO (Fijo) DIA PROMEDIO (Móvil)

Hora Tensión [V]

Potencia V^2 / R [watt]

Energía [watt*hora]

umbral [0V]


umbral [12V]

Tensión [V]



umbral [0V]


umbral [12V]

Tensión [V]



umbral [0V]


umbral [12V]

7:00 1,55 1,29 0,11 0,90 0,38 0,03 1,04 0,54 0,04 7:05 1,58 1,42 0,12 0,96 0,42 0,04 1,15 0,65 0,05 7:10 1,30 0,93 0,08 1,05 0,49 0,04 1,32 0,83 0,07 7:15 1,95 2,27 0,19 1,25 0,72 0,06 1,78 1,39 0,12 7:20 2,85 5,10 0,42 1,84 2,10 0,18 2,29 2,46 0,20 7:25 2,58 3,84 0,32 2,96 4,77 0,40 3,11 4,53 0,38 7:30 2,52 3,60 0,30 4,57 10,65 0,89 4,68 10,33 0,86 7:35 2,02 2,14 0,18 5,09 12,89 1,07 7,67 31,96 2,66 7:40 5,62 22,28 1,86 5,17 14,24 1,19 8,56 39,53 3,29 7:45 5,93 25,10 2,09 5,68 16,69 1,39 8,79 40,77 3,40 7:50 4,57 14,67 1,22 6,22 19,46 1,62 9,17 42,65 3,55 7:55 4,58 15,55 1,30 6,85 23,01 1,92 10,62 51,26 4,27 8:00 5,72 25,30 2,11 7,25 25,81 2,15 11,81 61,80 5,15 8:05 9,61 51,76 4,31 7,62 28,49 2,37 12,19 65,64 5,47 5,47 8:10 9,58 50,39 4,20 8,03 31,59 2,63 12,30 66,65 5,55 5,55 8:15 9,40 48,30 4,02 8,42 34,55 2,88 12,41 67,57 5,63 5,63 8:20 9,66 50,30 4,19 8,82 37,82 3,15 13,05 74,05 6,17 6,17 8:25 9,03 43,62 3,64 9,18 40,81 3,40 13,03 73,82 6,15 6,15 8:30 9,57 48,36 4,03 9,55 43,91 3,66 13,03 73,84 6,15 6,15 8:35 9,33 45,75 3,81 9,85 46,46 3,87 13,04 73,94 6,16 6,16 8:40 10,03 51,82 4,32 10,14 48,92 4,08 13,04 73,94 6,16 6,16 8:45 8,62 37,97 3,16 10,42 51,30 4,27 13,03 73,83 6,15 6,15 8:50 8,56 37,49 3,12 10,66 53,39 4,45 13,04 73,88 6,16 6,16 8:55 9,32 44,04 3,67 10,88 55,29 4,61 13,06 74,18 6,18 6,18 9:00 9,54 46,43 3,87 11,06 56,73 4,73 13,17 75,50 6,29 6,29 9:05 9,43 44,10 3,67 11,22 58,05 4,84 13,13 74,99 6,25 6,25 9:10 9,82 45,97 3,83 11,37 59,27 4,94 13,08 74,37 6,20 6,20 9:15 8,37 35,59 2,97 11,51 60,34 5,03 13,09 74,47 6,21 6,21 9:20 9,10 41,84 3,49 11,63 61,24 5,10 13,05 74,06 6,17 6,17 9:25 9,80 44,38 3,70 11,75 62,23 5,19 13,04 73,88 6,16 6,16 9:30 10,29 48,01 4,00 11,84 62,82 5,24 13,02 73,70 6,14 6,14 9:35 9,24 42,68 3,56 11,92 63,42 5,28 12,99 73,35 6,11 6,11 9:40 10,79 52,95 4,41 12,01 64,09 5,34 5,34 12,97 73,10 6,09 6,09 9:45 10,69 52,10 4,34 12,09 64,75 5,40 5,40 12,99 73,39 6,12 6,12 9:50 9,84 44,99 3,75 12,16 65,28 5,44 5,44 12,95 72,91 6,08 6,08 9:55 10,63 51,43 4,29 12,25 66,04 5,50 5,50 12,95 72,90 6,07 6,07 10:00 10,97 54,24 4,52 12,31 66,51 5,54 5,54 12,95 72,87 6,07 6,07 10:05 11,09 55,03 4,59 12,37 67,05 5,59 5,59 12,92 72,63 6,05 6,05 10:10 11,89 62,08 5,17 12,42 67,46 5,62 5,62 12,94 72,81 6,07 6,07 10:15 11,50 58,51 4,88 12,47 67,96 5,66 5,66 12,94 72,85 6,07 6,07 10:20 11,35 57,21 4,77 12,50 68,18 5,68 5,68 12,91 72,46 6,04 6,04 10:25 11,32 56,84 4,74 12,55 68,69 5,72 5,72 12,90 72,39 6,03 6,03 10:30 11,74 61,16 5,10 12,60 69,20 5,77 5,77 12,91 72,50 6,04 6,04 10:35 11,89 62,81 5,23 12,64 69,59 5,80 5,80 12,90 72,36 6,03 6,03 10:40 11,46 58,37 4,86 12,67 69,82 5,82 5,82 12,89 72,21 6,02 6,02 10:45 10,92 53,04 4,42 12,67 69,85 5,82 5,82 12,88 72,13 6,01 6,01 10:50 11,61 59,18 4,93 12,69 70,07 5,84 5,84 12,86 71,94 5,99 5,99 10:55 11,72 60,22 5,02 12,69 70,08 5,84 5,84 12,84 71,70 5,98 5,98 11:00 12,27 65,63 5,47 5,47 12,69 70,08 5,84 5,84 12,83 71,60 5,97 5,97 11:05 12,12 64,25 5,35 5,35 12,69 70,04 5,84 5,84 12,85 71,76 5,98 5,98 11:10 11,61 60,53 5,04 12,70 70,09 5,84 5,84 12,82 71,47 5,96 5,96 11:15 12,69 70,05 5,84 5,84 12,70 70,13 5,84 5,84 12,82 71,45 5,95 5,95 11:20 11,76 61,61 5,13 12,70 70,13 5,84 5,84 12,80 71,29 5,94 5,94 11:25 11,58 59,77 4,98 12,70 70,16 5,85 5,85 12,82 71,41 5,95 5,95 11:30 11,81 61,31 5,11 12,71 70,23 5,85 5,85 12,80 71,24 5,94 5,94 11:35 12,27 65,70 5,48 5,48 12,71 70,20 5,85 5,85 12,83 71,55 5,96 5,96 11:40 12,87 72,07 6,01 6,01 12,71 70,26 5,86 5,86 12,79 71,16 5,93 5,93 11:45 12,38 66,75 5,56 5,56 12,71 70,24 5,85 5,85 12,77 70,86 5,90 5,90 11:50 12,33 66,24 5,52 5,52 12,71 70,20 5,85 5,85 12,75 70,63 5,89 5,89 11:55 11,97 63,20 5,27 12,70 70,10 5,84 5,84 12,75 70,73 5,89 5,89 12:00 12,47 67,76 5,65 5,65 12,70 70,13 5,84 5,84 12,74 70,54 5,88 5,88 12:05 11,62 60,28 5,02 12,68 69,86 5,82 5,82 12,77 70,95 5,91 5,91 12:10 11,65 60,82 5,07 12,70 70,15 5,85 5,85 12,74 70,54 5,88 5,88 12:15 12,30 66,07 5,51 5,51 12,71 70,25 5,85 5,85 12,75 70,65 5,89 5,89 12:20 11,75 60,91 5,08 12,71 70,30 5,86 5,86 12,80 71,20 5,93 5,93 12:25 11,95 62,40 5,20 12,71 70,26 5,86 5,86 12,81 71,39 5,95 5,95 12:30 11,70 61,35 5,11 12,70 70,13 5,84 5,84 12,80 71,28 5,94 5,94

Tabla 8 Promedio de energía obtenida en un día soleado con panel fijo y móvil Fuente: Elaboración propia (año 2010)

90

DIA PROMEDIO (Nublado) DIA PROMEDIO (Fijo) DIA PROMEDIO (Móvil)

Hora Tensión [V]



umbral [0V]


umbral [12V]

Tensión [V]



umbral [0V]


umbral [12V]

Tensión [V]



umbral [0V]


umbral [12V]

12:35 11,91 62,39 5,20 12,72 70,37 5,86 5,86 12,82 71,48 5,96 5,96 12:40 12,86 72,02 6,00 6,00 12,73 70,44 5,87 5,87 12,82 71,42 5,95 5,95 12:45 11,38 57,40 4,78 12,72 70,32 5,86 5,86 12,81 71,34 5,95 5,95 12:50 10,60 50,83 4,24 12,71 70,28 5,86 5,86 12,78 71,04 5,92 5,92 12:55 9,41 41,50 3,46 12,72 70,31 5,86 5,86 12,82 71,43 5,95 5,95 13:00 10,00 45,49 3,79 12,70 70,08 5,84 5,84 12,85 71,76 5,98 5,98 13:05 9,90 47,71 3,98 12,70 70,14 5,85 5,85 12,85 71,83 5,99 5,99 13:10 9,27 42,84 3,57 12,70 70,08 5,84 5,84 12,83 71,55 5,96 5,96 13:15 9,31 41,99 3,50 12,72 70,36 5,86 5,86 12,83 71,56 5,96 5,96 13:20 9,37 43,78 3,65 12,72 70,31 5,86 5,86 12,83 71,53 5,96 5,96 13:25 10,04 49,51 4,13 12,70 70,18 5,85 5,85 12,85 71,82 5,99 5,99 13:30 8,42 34,41 2,87 12,69 70,06 5,84 5,84 12,85 71,84 5,99 5,99 13:35 10,10 50,26 4,19 12,72 70,37 5,86 5,86 12,81 71,37 5,95 5,95 13:40 10,64 53,19 4,43 12,73 70,41 5,87 5,87 12,83 71,52 5,96 5,96 13:45 10,33 51,34 4,28 12,73 70,46 5,87 5,87 12,81 71,34 5,95 5,95 13:50 10,53 52,14 4,34 12,73 70,41 5,87 5,87 12,79 71,09 5,92 5,92 13:55 11,07 58,68 4,89 12,70 70,17 5,85 5,85 12,76 70,74 5,89 5,89 14:00 10,62 55,88 4,66 12,70 70,12 5,84 5,84 12,76 70,85 5,90 5,90 14:05 10,46 54,35 4,53 12,70 70,12 5,84 5,84 12,80 71,25 5,94 5,94 14:10 10,70 56,08 4,67 12,71 70,21 5,85 5,85 12,78 70,99 5,92 5,92 14:15 10,55 55,27 4,61 12,70 70,11 5,84 5,84 12,71 70,25 5,85 5,85 14:20 10,70 55,75 4,65 12,69 70,04 5,84 5,84 12,83 71,63 5,97 5,97 14:25 11,03 55,83 4,65 12,70 70,12 5,84 5,84 12,82 71,45 5,95 5,95 14:30 12,46 67,63 5,64 5,64 12,68 69,88 5,82 5,82 12,93 72,72 6,06 6,06 14:35 12,14 64,43 5,37 5,37 12,65 69,61 5,80 5,80 12,79 71,12 5,93 5,93 14:40 12,26 65,61 5,47 5,47 12,63 69,39 5,78 5,78 12,87 71,99 6,00 6,00 14:45 12,62 69,53 5,79 5,79 12,63 69,39 5,78 5,78 12,76 70,84 5,90 5,90 14:50 11,20 56,35 4,70 12,62 69,24 5,77 5,77 12,60 69,19 5,77 5,77 14:55 10,10 49,93 4,16 12,59 68,91 5,74 5,74 12,85 71,82 5,98 5,98 15:00 10,65 53,69 4,47 12,57 68,76 5,73 5,73 12,87 72,01 6,00 6,00 15:05 10,34 51,22 4,27 12,56 68,57 5,71 5,71 12,87 72,01 6,00 6,00 15:10 9,99 49,34 4,11 12,54 68,41 5,70 5,70 12,89 72,30 6,02 6,02 15:15 10,08 49,74 4,14 12,51 68,03 5,67 5,67 12,89 72,30 6,02 6,02 15:20 11,22 58,82 4,90 12,44 67,27 5,61 5,61 12,85 71,77 5,98 5,98 15:25 7,65 31,16 2,60 12,38 66,65 5,55 5,55 12,86 71,96 6,00 6,00 15:30 9,70 45,79 3,82 12,30 65,86 5,49 5,49 12,83 71,52 5,96 5,96 15:35 9,22 42,30 3,53 12,21 64,83 5,40 5,40 12,71 70,33 5,86 5,86 15:40 9,04 40,98 3,41 12,12 63,95 5,33 5,33 12,85 71,74 5,98 5,98 15:45 8,65 38,50 3,21 12,00 62,70 5,23 5,23 12,86 71,95 6,00 6,00 15:50 8,56 38,55 3,21 11,86 61,22 5,10 12,86 71,94 5,99 5,99 15:55 8,39 36,29 3,02 11,68 59,46 4,95 12,89 72,20 6,02 6,02 16:00 8,19 35,27 2,94 11,48 57,50 4,79 12,91 72,52 6,04 6,04 16:05 8,00 33,19 2,77 11,25 55,26 4,61 12,90 72,38 6,03 6,03 16:10 7,71 28,38 2,36 10,97 52,61 4,38 12,82 71,41 5,95 5,95 16:15 6,76 21,78 1,81 10,24 46,32 3,86 12,48 67,80 5,65 5,65 16:20 7,34 25,81 2,15 8,69 33,78 2,81 11,44 57,45 4,79 16:25 6,21 18,03 1,50 6,99 22,40 1,87 9,59 42,48 3,54 16:30 4,89 10,60 0,88 5,35 13,46 1,12 6,89 22,08 1,84 16:35 4,63 9,54 0,80 3,93 7,19 0,60 4,66 9,86 0,82 16:40 4,24 8,00 0,67 2,73 3,39 0,28 3,45 5,26 0,44 16:45 4,07 7,34 0,61 2,11 1,98 0,17 2,71 3,20 0,27 16:50 4,27 8,18 0,68 1,77 1,39 0,12 2,28 2,31 0,19 16:55 3,99 7,18 0,60 1,46 0,93 0,08 1,81 1,45 0,12 17:00 3,44 5,52 0,46 1,31 0,74 0,06 1,47 0,95 0,08 17:05 3,44 5,37 0,45 1,22 0,65 0,05 1,31 0,76 0,06 17:10 3,29 4,98 0,42 1,16 0,60 0,05 1,23 0,66 0,06 17:15 3,14 4,72 0,39 1,14 0,58 0,05 1,13 0,56 0,05 17:20 2,87 4,15 0,35 1,12 0,56 0,05 1,07 0,50 0,04 17:25 2,71 3,71 0,31 1,09 0,53 0,04 1,04 0,47 0,04 17:30 2,77 3,95 0,33 1,06 0,49 0,04 1,02 0,45 0,04 17:35 2,73 3,82 0,32 1,02 0,46 0,04 0,99 0,43 0,04 17:40 2,54 3,22 0,27 1,00 0,44 0,04 0,97 0,41 0,03 17:45 2,25 2,41 0,20 0,96 0,41 0,03 0,93 0,38 0,03 17:50 2,19 2,27 0,19 0,97 0,43 0,04 0,90 0,35 0,03 17:55 2,03 1,95 0,16 0,94 0,40 0,03 0,87 0,33 0,03 18:00 1,76 1,45 0,12 0,92 0,40 0,03 0,84 0,31 0,03 TOTAL [Watt*hora]: 456,29 78,64 552,58 426,20 629,78 592,78

Tabla 9 Promedio de energía obtenida en un día soleado con panel fijo y móvil Fuente: Elaboración propia (año 2010)

91

La ganancia de energía se pudo establecer al comprar ambos sistemas,

únicamente en los días despejados.

Día Promedio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5:30 6:35 7:40 8:45 9:50 10:55 12:00 13:05 14:10 15:15 16:20 17:25 18:30Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Fijo

Umbral[12V]

Figura 5.6.1 Curva real de potencia instantánea obtenida con panel fijo


Día Promedio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5:30 6:35 7:40 8:45 9:50 10:55 12:00 13:05 14:10 15:15 16:20 17:25 18:30Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Móvil

Umbral[12V]

Figura 5.6.2 Curva real de potencia instantánea obtenida con panel móvil


92

El área bajo la curva amarilla representa el sistema de seguimiento y posee una

mayor área que la descrita por la curva roja, lo que se traduce en más energía por

día soleado, y por consiguiente una mejora de la ganancia de energía al seguir el

sol.

Nótese que la temperatura afecta a ambos sistemas justo en la mitad de ambas

curvas, lo que ocurre al medio día cuando el sol calienta mayormente las

superficies expuestas directamente a él. Durante el amanecer la temperatura

disminuye y durante el atardecer la temperatura también disminuye, pero con una

cierta inercia térmica lo que impide que el panel vuelva trabajar con la misma

eficiencia obtenida durante el amanecer que es donde se encuentra más frío. No

obstante el rendimiento del panel mejora al disminuir la temperatura, durante el

amanecer y atardecer.

Día Promedio

0

10

20

30

40

50

60

70

80

5:30 6:35 7:40 8:45 9:50 10:55 12:00 13:05 14:10 15:15 16:20 17:25 18:30Tiempo [horas]

Pote

ncia

Inst

antá

nea

[Wat

t]

Fijo

Móvil

Umbral[12V]

Figura 5.6.3 Comparación de las curvas de energía obtenida con sistema fijo y móvil


93

5.6.4 ENERGIA REQUERIDA POR EL SISTEMA DE SEGUIMIENTO Si bien es cierto, se obtuvo una cantidad mayor de energía con el seguidor solar,

es importante establecer cuánta energía requiere el seguidor propiamente tal, de

manera que el impacto sobre la energía ganada sea mínimo. De lo contrario sería

absurdo que todo lo ganado sea derrochado por el actuador y su mecanismo de

seguimiento. El circuito electrónico funciona a una tensión de 5V durante 24 horas

con una corriente de 18mA, mientras que el actuador y su motor CC, poseen una

corriente medida de 180mA a una tensión de 12V por un período de 5,26 minutos,

que es el tiempo total del recorrido del actuador ida y vuelta durante el día. Al

multiplicar los watt obtenidos por el tiempo empleado, se obtiene la energía

utilizada por el sistema de seguimiento, lo que suma un total de 2,35 watt*hora.

Item Tiempo Tensión Corriente Potencia

instantáneaEnergía utilizada por el sistema de seguimiento

Circuito 86400 [s] 5 [v] 0,018 [A] 0,09 [Watt] 2,1600 [Watt*h] Actuador 316 [s] 12 [v] 0,18 [A] 2,16 [Watt] 0,1896 [Watt*h] TOTAL 2,3496 [Watt*h]

Tabla 10 Energía requerida por el seguidor solar Fuente: Elaboración propia (año 2010)

Promedio de energía obtenida con panel

Móvil

Promedio de energía obtenida con panel Móvil (descontando el

consumo del seguidor) Energía utilizada por el seguidor

592,78 [Watt*h] 592,59 [Watt*h] 0,03% Consumo del actuador 592,78 [Watt*h] 590,62 [Watt*h] 0,36% Consumo del circuito

0,40% TOTAL Tabla 11 Energía utilizada por el seguidor expresada en porcentaje


Descontando el consumo del sistema de seguimiento se obtiene la siguiente tabla: Promedio de energía

obtenida en un día despejado con panel

Fijo

Promedio de energía obtenida en un día despejado con panel

Móvil (descontando el consumo del seguidor)

Umbral de

tensión

Ganancia real de energía con seguidor

solar en un día despejado

552,58 [watt*h] 627,43 [watt*h] 0,00 [v] 13,55% 426,20 [watt*h] 590,43 [watt*h] 12,00 [v] 38,53%

Tabla 12 Ganancia real obtenida con el sistema de seguimiento Fuente: Elaboración propia (año 2010)

Finalmente la ganancia real de energía alcanzada al emplear el seguidor solar, fue

de 13,55% desde 0[v], y 38,53% desde 12[v] o superior.

94

5.6.5 RENDIMIENTO DEL SISTEMA CONJUNTO Como se mencionó anteriormente, se pueden obtener del orden de 1000 watt por

cada m² de superficie expuesta directamente al sol. En las mediciones realizadas

se utilizó un panel solar de 14% de eficiencia y de 0,648m² de superficie, lo que

equivale a 648 Watt durante 8 horas luz, que se traducen en 5184 watt*h por día,

con este dato se pudo calcular la eficiencia del seguidor solar, considerando la

energía útil obtenida y descontando el consumo de energía del sistema de

seguimiento y actuador.

Sistema Energía de

entrada [Watt*h]

Energía de salida

[Watt*h]

Umbral de

tensión [v]

Rendimiento Pérdidas Suma:

rendimiento más las pérdidas

Fijo 5184 552,58 0,00 10,66% 3,34% 14,00% Móvil 5184 627,43 0,00 12,10% 1,90% 14,00% Fijo 5184 426,20 12,00 8,22% 5,78% 14,00%

Móvil 5184 590,43 12,00 11,39% 2,61% 14,00% Tabla 13 Rendimiento sistema conjunto Fuente: Elaboración propia (año 2010)

Claramente en ningún caso se alcanza un rendimiento del 14%, lo que se debe a

las pérdidas por temperatura y a las perdidas por ángulos de incidencia para el

caso del panel fijo, sin embargo, en términos de rendimiento (energía de salida /

por la energía de entrada) al utilizar seguidor solar existe una mejora con respecto

al panel fijo del 1,44% considerando el umbral de 0V hacia arriba, y una mejora del

3,17% para un umbral de 12V hacia arriba.

La temperatura no fue registrada durante las mediciones, dado que se consideró

un factor constante para ambos sistemas fotovoltaicos, y porque no era parte del

objetivo central de este trabajo, sin embargo la curva obtenida calza plenamente

con el modelo teórico dado que coincide con las horas de mayor temperatura

durante un día normal soleado de verano.

95

CAPITULO 6 CAPITULO VI CONCLUSIONES .

6.1 PRELIMINARES Luego de realizar numerosas pruebas y mediciones de terreno, tanto con el panel

solar estático como con el móvil, se logró la recolección de una gran cantidad de

datos, los que fueron procesados entregando información que dio lugar a los

respectivos análisis con los cuales se efectuó la comparación entre ambos

sistemas, obteniendo resultados que permitieron presentar el siguiente conjunto

de conclusiones:

6.2 CONCLUSIONES OBTENIDAS

6.2.1 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE MECANICO Uno de los objetivos específicos del presente trabajo, fue: Diseño y construcción

del actuador, el cual será el encargado de posicionar el panel solar según las

coordenadas enviadas por el circuito de control, lo que fue logrado en forma

exitosa, pues bien, el hecho de que la masa de toda la estructura del panel solar

se encuentre reposada en un eje con rodamientos que soporta todo el peso de

dicha estructura, permite el movimiento del eje de recorrido con un bajo consumo

de energía por parte del motor CC, ya que este sólo cambia la posición de los

paneles, con un torque despreciable que se traduce en un consumo de energía

que es del 0,03% del total de energía captada por el seguidor. Dicho porcentaje es

de bajo impacto con respecto a la energía ganada.

6.2.2 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE ELECTRICO Acorde con el objetivo “Diseño del circuito de control que se encargue de generar

las señales de control necesarias que requiere el actuador para mover el panel”.

Sé logró diseñar e implementar un circuito gobernado por un microcontrolador con

un algoritmo sencillo que en base a la hora posiciona las celdas fotovoltaicas,

96

logrando un bajo consumo de energía por parte del microcontrolador y circuito

electrónico, que representa el 0,36% del total de energía captada por el seguidor,

lo que claramente es de bajo impacto con respecto a la energía ganada en el

seguimiento.

Por otra parte, al realizar el análisis de los resultados, para comparar solución

propuesta versus un panel normal exento de tecnología de seguimiento solar, se

logró obtener un mayor porcentaje de energía, bajo las condiciones de prueba, es

decir, con una carga lineal, considerando el consumo de energía del sistema de

seguimiento propiamente tal y en días soleados despejados.

El tener un 13,55% (para umbrales superiores a 0[v]), y 38,53% (para umbrales

superiores a 12[v]), más de energía al seguir el sol no es menor al tratarse de

eficiencia energética, sobre todo ahora que la tecnología logra cada día reducir las

pérdidas en los sistemas fotovoltaicos, obteniendo sistemas más eficientes. Si a

ello le sumamos el hecho de seguir el sol con un sistema de seguimiento, la

ganancia de energía será aún mayor que la lograda por estos días.

6.2.3 CONCLUSIONES DESDE EL ENFOQUE ECONOMICO Se estima, que los costos para fabricar un seguidor solar como unidad de

producción y en grandes cantidades son del orden de 15,44 UF considerando

actuador, estructura y fabricación del PCB, dicho costo puede disminuir si se

fabricaran varias unidades al por mayor. Sin embargo los costos estimados del

prototipo, Investigación y Desarrollo, se detallan en el anexo Nº 7 de este

documento. La justificación del seguidor solar desde el punto de vista económico

es válida al momento de utilizar varios paneles solares o uno de gran potencia,

para obtener el máximo de rentabilidad de la inversión, y la recuperación del

capital invertido en corto plazo. Por ejemplo, si se pudieran conectar varios

paneles a un sólo seguidor con un mecanismo tipo persiana, en teoría por cada

472,03 UF en paneles, al utilizar seguidor se podrían ahorrar hasta 179,37 UF,

menos los costos del seguidor propiamente tal y los costos de instalación, lo que

claramente justificaría el uso de este tipo de tecnología en términos de costos y

ahorro de inversión.

97

6.3 CONCLUSIONES GENERALES Finalmente, y 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 seguimiento solar.

Descomponiendo por parte el objetivo central de este trabajo, se tiene en primer

término, que el diseño y construcción de un seguidor solar para celdas

fotovoltaicas como unidad de producción, fue logrado de manera exitosa y la

empresa Wamtech cuenta en este momento con una unidad, la que puede

incluirse en la línea de productos, en la medida que se justifique su fabricación, ya

sea como venta de este producto o como parte de un proyecto en la que se

requiera disminuir los costos de paneles solares FV.

Por otra parte se corroboró el mejoramiento de la eficiencia energética del panel

solar, con el uso del seguidor alcanzado una mejora del 13,55% la que se

enmarca dentro de lo estudiado en el estado del arte, esto fue logrado gracias a

que se pudo implementar experimentalmente el prototipo, para la obtención de

datos, lo que permitió realizar mediciones controladas de terreno con su respectivo

análisis, encontrando consecuencia con el modelo teórico investigado y las

pruebas empíricas realizadas.

98

6.4 TRABAJO FUTURO

6.4.1 ASPECTOS A CONSIDERAR Si bien es cierto actualmente la energía solar fotovoltaica es poco eficiente

en comparación con otras alternativas para generar energía eléctrica, se debe

tener en cuenta que la tecnología se encuentra en constante avance para obtener

mejoras en esta materia, por lo que no nos debería extrañar, que en un futuro no

muy lejano los paneles solares fotovoltaicos logren eficiencias superiores a las

actuales constituyendo una real solución para el abastecimiento de energía

eléctrica de la población, después de todo el sol es gratis, se manifiesta todos los

días, pero sobre todo constituye una alternativa limpia renovable y ecológica. Sin

embargo, existen ciertas aristas que se deben considerar para mejorar aún más la

eficiencia energética en este tipo de sistemas, lo que significa que en esta materia

queda aún demasiado por hacer. Consecuentemente aquí se plantean algunos

aspectos que deben ser tomados en cuenta, para sacar el máximo provecho de

los sistemas solares fotovoltaicos.

Dichos aspectos son sólo sugerencias, y se presentan como inquietudes que

podrían constituirse como tema de investigación en futuros estudios para este

campo.

99

6.4.2 SUGERENCIAS DE LINEAS DE INVESTIGACION PARA FUTUROS TRABAJOS EN ESTA MATERIA

6.4.2.1 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.

Sin embargo, este tipo de seguidores, se utiliza en centrales solares termicas, las

que no se enmarcan dentro del concepto de energía solar fotovoltaica, estudiado

en el presente documento, si no más bien, corresponden al concepto de energía

solar termoeléctrica, es decir, la capacidad de generar a energía eléctrica, a partir

de la energía térmica obtenida desde el sol.

Los seguidores solares de dos ejes se utilizan pricipalmete en:

- Los lentes de Fresnel.

- Las plantas solares termoeléctricas.

- Los motores Stirling.

100

Los lentes de Fresnel Sin duda alguna, el futuro de los seguidores solares se encuentra en los

lentes de Fresnel dada la gran eficiencia que estos poseen, La lente de Fresnel,

llamada así por su inventor Augustin Fresnel28, es un diseño de lentes que permite

la construcción de lentes de gran apertura y una corta distancia focal sin el peso y

volumen de material que debería usar en una lente de diseño convencional.

Cuando las lentes son grandes, su grosor puede hacerse excesivo, pues hacen la

lente muy pesada y cara. Por ello, se puede mantener los radios de curvatura de

las lentes separándolas en anillos circulares. El grosor de la lente en cada anillo es

diferente, eliminando el enorme espesor que tendría la lente de ser sus superficies

contínuas, mientras que la superficie presenta un aspecto escalonado. Se

emplean en lupas planas, linternas de los faros, faros de los automóviles,

indicadores de dirección. Los lentes de Fresnel tienen la particularidad de estar

construidos de un cristal de muy alta pureza, a diferencia del vidrio, reducen las

pérdidas en la conducción de la luz solar, y la concentran en un solo punto,

mientras mas grande sea el área, mayor será la potencia obtenida. Este tipo de

sistema se utiliza en centrales termoeléctricas solares y es precisamente aquí

donde se emplean seguidores solares de dos ejes, debido a que los lentes de

Fresnel deben estar en línea con el sol permanentemente, para mantener el haz

de luz centrado en el foco.

Figura 6.4.1 Lentes de Fresnel

Fuente: Elaboración propia (año 2010) 28 Augustin-Jean Fresnel, físico francés que contribuyó significativamente a la teoría de óptica ondulatoria, estudió el comportamiento de la luz tanto teórica como experimentalmente.

101

Plantas solares termoeléctricas Las plantas que usan el calor del sol para generar electricidad, se conocen

como plantas de energía solar termoeléctrica, central térmica solar, o central

termosolar, que corresponden a una instalación industrial en la que, a partir del

calentamiento de un fluido mediante radiación solar y su uso en un ciclo

termodinámico convencional, se produce la potencia necesaria para mover un

alternador para generación de energía eléctrica como en una central térmica

clásica. Obligatoriamente, es necesario concentrar la radiación solar para que se

puedan alcanzar temperaturas elevadas, de 300 º C hasta 1000 º C, y obtener así

un rendimiento aceptable en el ciclo termodinámico, que no se podría obtener con

temperaturas más bajas. La captación y concentración de los rayos solares se

hacen por medio de espejos con orientación automática que apuntan a una torre

central donde se calienta el fluido, o con mecanismos más pequeños de geometría

parabólica. El fluido puede ser aceite térmico, agua destilada, glicol, o sal fundida.

La complejidad técnica, y sobretodo la imposibilidad de aprovechar la radiación

solar difusa, limita su situación geográfica en Europa a España, Portugal, Italia y

Grecia.

Figura 6.4.2 Central Termo solar

Fuente: www.renovetec.com/articulosgestion.html

102

Motores Stirling El Motor Stirling fue inventado en 1816 por Robert Stirling, reverendo

escocés. El objetivo era tener un motor menos peligroso que la máquina de vapor.

El principio de funcionamiento es el trabajo realizado por la expansión y

contracción de un gas (normalmente helio, hidrógeno, nitrógeno o simplemente

aire) al ser obligado a seguir un ciclo de enfriamiento en un foco frío, con lo cual se

contrae, y de calentamiento en un foco caliente, con lo cual se expande. Es decir,

es necesaria la presencia de una diferencia de temperaturas entre dos focos y se

trata de un motor térmico.

Este motor continúa en investigación debido a la versatilidad de fuentes de

energía utilizables para su funcionamiento, ya que al necesitar solamente una

fuente de calor externa al cilindro, es posible usar una gran variedad de fuentes

energéticas (energía solar térmica, todo tipo de combustibles, uso de la biomasa,

energía geotérmica, etcétera). Hoy existe una variedad de artefactos que utilizan

este principio, incluso algunos con base acústica.

En España, en la Plataforma Solar de Almería, se han construido equipos

(conocidos como Distal y EuroDISH) formados por grandes discos parabólicos que

reflejan y concentran la luz solar hacia un motor Stirling, el cual produce energía

mecánica que mediante un alternador es transformada en energía eléctrica.

Son modelos experimentales y demostrativos de gran rendimiento. Esta

tecnología se considera que será de gran aplicación para regiones donde hay gran

número de pobladores dispersos, a los cuales sería muy costoso llegar con red

eléctrica. Es de esperar que los fabricantes de motores Stirling construyan en gran

escala unidades pequeñas de ese mismo tipo, (con disco solar) como por ejemplo

con capacidad de producir unos 200 a 400 kWh al mes (equipos de 1 a 2 kW de

potencia aproximadamente); especialmente para los países situados entre los

trópicos, pues en estas zonas la cantidad de radiación solar es grande a lo largo

de todo el año y a su vez es la región donde hay mas población dispersa.

103

El motor Stirling es el único capaz de aproximarse (teóricamente lo alcanza)

al rendimiento máximo teórico conocido como rendimiento de Carnot, por lo que,

en lo que a rendimiento de motores térmicos se refiere, es la mejor opción.

Conviene advertir que no serviría como motor de vehículo, porque aunque su

rendimiento es superior, su potencia es inferior (a igualdad de peso) y el

rendimiento óptimo sólo se alcanza a velocidades bajas.

Figura 6.4.3 planta Solar Termoeléctrica mediante motores Stirling, con seguidor de dos ejes Fuente: www.revolucionenergetica.info/2009/07/principios-y-tipos-de-plantas-solares-i.html

104

6.4.2.2 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). Ante la posibilidad de que en el tiempo

pudieran existir errores, debido a retardos o desfases en el reloj se incorporó un

GPS29, para actualizar la hora del reloj, esta medida fue incorporada al carecer de

realimentación, al no contar con sensores ópticos adecuados, que permitieran

realizar un seguidor con realimentación. Se trató de confeccionar un seguidor solar

con realimentación, 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 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 mas 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.

Figura 6.4.4 Seguidor olar realimentado con sensor óptico infrarrojo

Fuente: www.youtube.com/watch?v=tpfN_S2je-k

29 Global Position System, sistema de posicionamiento global satelital, muy utilizado en dispositivos electrónicos, para conocer la hora y posición, información que es entregada en base a una red de satélites

Sensor

105

6.4.2.3 Realizar mediciones con un sistema real Dada la no linealidad del sistema de carga de batería, regulador de voltaje y

de las baterías propiamente tal, y a modo de no complicar innecesariamente las

mediciones, se decidió conectar directamente al panel solar una carga lineal, con

el objetivo de facilitar el análisis y las medidas realizadas. La carga empleada fue

un resistor de 2,3Ω 80w. Sin embargo, y pese a que claramente se puede

complicar el análisis y el método seguir, sería interesante en un trabajo futuro

como parte de otro estudio, realizar nuevas mediciones considerando el sistema

de carga de batería, regulador de voltaje y las baterías propiamente tal, para

determinar la eficiencia energética del sistema conjunto, tanto para paneles

solares móviles como estáticos.

Figura 6.4.5 Topología clásica y empleada para el sistema solar fotovoltaico

Fuente: www.iie.org.mx/proyectofotovoltaico/imagenes/sistema fotovoltaico2.jpg

106

6.4.2.4 El fenómeno de la temperatura y el panel solar híbrido Actualmente existen dos tipos de paneles solares, los paneles solares

térmicos y los fotovoltaicos, ambos se exponen al sol alcanzando temperaturas del

orden de 60º C, pero son fabricados con propósitos distintos. Los térmicos

trasforman la irradiancia solar en energía térmica calentado agua ya sea en forma

directa o por medio de un intercambiador de calor con aceite térmico. Los

fotovoltaicos trasforman la irradiancia solar en energía eléctrica gracias al principio

fotovoltaico, pero se calientan de igual modo que los paneles térmicos. Entonces

si la energía térmica se presenta en ambos casos, ¿por qué no aprovechar el

fenómeno de la temperatura en un sólo panel?; Es el caso de los paneles solares

híbridos, los que no son más que un panel solar fotovoltaico con un serpentín en la

parte posterior por el cual circula líquido refrigerante, aceite térmico, o agua,

aprovechando la temperatura y enfriando el panel permanentemente mejorando su

eficiencia energética al evitar pérdidas por temperatura. De esta manera se

obtiene energía térmica y eléctrica al mismo tiempo, la eléctrica acumulada en

baterías y la térmica acumulada en termos. La figura 6.4.3 muestra la cara

posterior de un panel solar híbrido.

Figura 6.4.6 Panel solar híbrido, dotado de serpentín con refrigerante y PT-100 sensor de Tº

Fuente: http://www.portalsolar.com/imag/noticias/paneles-hibridos/figura8.jpg

107

6.4.2.5 Pérdidas por suciedad La suciedad (polvo, barro o excrementos de aves) es otro factor clave en el

rendimiento de las instalaciones fotovoltaicas. La suciedad proviene de diversas

fuentes que evolucionan incontrolablemente a lo largo del año. Se deben destacar

dos tipos de suciedad que afectan a los sistemas: la uniforme, que da lugar a una

disminución de la radiación que llega a las células y aumenta las pérdidas

angulares, y también una suciedad localizada que conduce a un aumento de las

pérdidas por formación de puntos calientes.

Actualmente existen sistemas autónomos de limpieza por contacto para

captadores solares, más conocidos como SLP. Son sistemas fijos para cada plano

de captadores con movimiento relativo, constan de un carro de limpieza que se

desplaza en vertical (es el encargado de limpiar y secar) y de un carro de

transporte que se encarga de desplazar al carro de limpieza por la horizontal;

consiguiendo así, llegar a todos los captadores del plano.

Los SLP constan de un sistema de limpieza triple, lo que confiere una eficacia

superior.

1- Agua a presión que elimina la suciedad superficial y ablanda la suciedad

más incrustada.

2- Un cepillo rotatorio de fibras largas y suaves que se encarga de eliminar la

suciedad más adherida.

3- Un labio de goma que actúa en último lugar para eliminar los restos de

suciedad que puedan quedar y secar el captador, eliminando todas las

gotas de la superficie. Obteniendo el resultado de un captador limpio y

seco.

Sin embargo, los SLP son poco eficientes en términos de energía, ya que

necesitan suficiente potencia para las bombas de agua a presión, además

necesitan de dicha agua para poder limpiar, tornándose poco flexibles ya que no

se podría utilizar este tipo de limpiadores automáticos en zonas desérticas donde

precisamente el agua es lo que escasea.

108

Lo que se sugiere en esta oportunidad, es la creación de una funda automática

que cubra el panel todos los días durante la noche y lo descubra durante el día.

Dicha funda se compone de dos fundas, una de un material suave por la parte que

se encuentra en contacto con el vidrio del panel para evitar rayarlo, y la otra

robusta e impermeable por el lado externo para proteger al panel de la suciedad.

Ambas fundas se enrollan en cilindros distintos, con un mecanismo similar al

utilizado por las Pantallas Eléctricas Retráctiles empleadas en presentaciones con

Data show.

El hecho que la funda cubra y limpie el panel todos los días evitará que la

suciedad comience a pegarse en el vidrio del panel solar.

El motor eléctrico no debe realizar demasiado torque para desplazar la funda, de

manera tal que la energía utilizada sea despreciable con respecto a la obtenida

con el seguimiento del sol realizado durante las horas luz.

Figura 6.4.7 Solución sugerida para combatir las pérdidas por suciedad


109

6.4.2.6 Días nublados, ¿qué ocurre con la energía que no se aprovecha? Durante el verano no todos los días son soleados y despejados como se

suele creer, existen días con nubosidad parcial a despejado, incluso días

despejados y soleados en los cuales se presentan pequeñas nubes, las que desde

luego influyen en la curva de comportamiento del panel solar FV al momento de

realizar mediciones. Consecuentemente durante el invierno la cantidad de días

nublados es mayor y por lo tanto los paneles solares generan menos energía por

la falta de una irradiancia solar directa y permanente. Sin embargo no por ello los

paneles dejan de funcionar, se encuentran generando energía eléctrica

permanentemente, sólo que en menor cantidad, pero ¿qué ocurre con dicha

energía durante un día nublado?, simplemente no se utiliza, ¿la razón?, bastante

simple: “la no existencia de una diferencia de potencial lo suficientemente elevada

para cargar una batería eléctrica”. En otras palabras, cuando un panel solar se

expone al sol genera del orden de 17 V en vacío, al momento de conectar un

sistema de carga de batería y regulador de voltaje la tensión disminuye a 14 V

producto del consumo de corriente del sistema propiamente tal, bajo estas

condiciones se puede cargar perfectamente una batería de 12V gracias a la

existencia de una diferencia de potencial en una dirección, es decir 14 V es mayor

que 12 V. Pero durante un día nublado un panel puede proveer energía eléctrica a

una tensión30 de 10 V, lo que no permite cargar una batería, ya que, 10 V es

menor que 12 V y por lo tanto no existe una diferencia de potencial tal que permita

cargar el acumulador. Tampoco el acumulador o batería se descargará hacia el

panel, ya que el regulador de voltaje lo impide. Entonces durante aquel día toda la

energía generada por el panel simplemente no se aprovecha ya que se encuentra

a una tensión inferior a la tensión de carga de una batería. No obstante, existen

sistemas tales como los conversores CC-CC reductor elevador31 o los

convertidores de retroceso32 CC-CC[6] que pueden elevar la tensión de entrada

obteniendo una mayor tensión de salida, logrando con esto una diferencia de 30 A modo de ejemplo, ya que la tensión puede variar durante el transcurso del día, lo importante es destacar que dicha tensión durante un día nublado será insuficiente para cargar una batería de 12V 31 Más conocidos como buck boost 32 Mas conocidos como Flyback

110

potencial tal, que permita cargar una batería de 12 V, sin embargo, estos sistemas

conversores tienen una eficiencia del orden del 70%, lo que significa que el 30%

se disipa en calor en la inductancia o transformador característico de esta

topología de circuito, lo que claramente va en desmedro de la eficiencia energética

total del sistema. Lo que se sugiere en esta oportunidad, es la utilización de un

circuito similar al de los “Multiplicadores de tensión”, que a diferencia de los ya

mencionados conversores CC-CC, utilizan condensadores en lugar de

inductancias y presentan rendimientos del orden del 90%, lo que es bastante

mejor para optimizar la eficiencia energética del sistema conjunto. Sin embargo,

los Multiplicadores de tensión sólo trabajan con una fuente de tensión alterna, lo

que complica la topología ya que los paneles solares en esencia entregan una

tensión directa o continua. No obstante la siguiente figura sugiere una topología ya

conocida, para utilizar el concepto de multiplicador de tensión, con una fuente

continua, mientras mayor sea el número de capacitores, mayor será la tensión de

salida. El interruptor a se cierra mientras el interruptor b se abre, una vez cargados

los capacitores, se invierte la función de los interruptores. Los interruptores

pueden ser materializados con mosfet.

Figura 6.4.8 Multiplicador de tensión con capacitores para fuente de corriente continua


111

6.4.2.7 El problema de las pilas y baterías como contaminantes Como se mencionó anteriormente, las pilas y baterías tienen una vida útil

corta, resisten determinados ciclos de carga, luego de eso deben ser

reemplazadas por otras nuevas, pero ¿que ocurre con las que no sirven?, en la

mayoría de los casos terminan en la basura debido a que no existe una legislación

fuerte en esta materia, que obligue a reciclar o disponer de estos elementos en

sitios autorizados para un adecuado tratamiento. Las baterías contienen metales

pesados y compuestos químicos, muchos de ellos perjudiciales para el medio

ambiente. Es muy importante no tirarlas a la basura (en la mayoría de los países

eso no está permitido), y llevarlas a un centro de reciclado. Actualmente, la

mayoría de los proveedores y tiendas especializadas también se hacen cargo de

las baterías gastadas.

La liberación del mercurio contenido en pilas ha ocurrido a consecuencia del uso

de tres tipos de pilas: las de óxido de mercurio, las de C-Zn y las alcalinas. En el

primer tipo, el contenido de dicho metal es del 33%, y se usaron tanto en su

presentación de botón como en otros tamaños, a partir de 1955. Teóricamente, se

dejaron de producir en 1995, aunque hay fuentes de información que indican que

dicho proceso continúa en Asia y se distribuyen en el mercado internacional. Para

el segundo y tercer tipo de pilas, se sabe que durante varias décadas, antes de

1990, se les agregaba mercurio (entre 0,5 a 1,2%) para optimizar su

funcionamiento, siendo las alcalinas las de mayor contenido; también el carbón

que contienen algunas veces está contaminado con este metal de manera natural.

En 1999, el INE solicitó un análisis de muestras de tres diferentes marcas de pilas

del tipo AA, de consumo normal en México, de las cuales dos eran de procedencia

asiática (de C-Zn) y una alcalina de procedencia europea. Los resultados fueron

los siguientes: para las de procedencia asiática, los valores obtenidos fueron de

0,18% mg/kg y de 6,42% mg/kg; en cuanto a la de procedencia europea el

resultado fue de 0,66% mg/kg; dichas cantidades, equivalentes a partes por millón,

no rebasan los límites de 0,025% establecidos en el Protocolo sobre metales

112

pesados adoptado en 1998 en Aarhus, Dinamarca, por los países miembros de la

Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (UNECE). El muestreo

anterior fue un hecho aislado y sería conveniente en un futuro seguir analizando el

contenido de mercurio en el mayor número de marcas posibles. En México, otras

fuentes de mercurio la constituyen la industria de cloro/sosa, que lo utiliza en su

proceso; también productos como termómetros, varios tipos de interruptores y

lámparas fluorescentes. Según información oficial ya no se extrae mercurio en

México, aunque se dispone de datos sobre importación por un monto de 130

toneladas en los últimos tres años. El mercurio es un contaminante local y global

por excelencia. La química ambiental correspondiente a este metal tóxico es muy

compleja, dadas sus propiedades; se evapora a temperatura ambiente y sus

átomos viajan lejos; al ser depositado en los cuerpos de agua se transforma en

mercurio orgánico (metil-mercurio) por mecanismos aeróbicos o anaeróbicos; es

así como se contaminan, entre otros, los pescados y mariscos. Otra forma de

intoxicación por mercurio es la inhalación de los vapores emitidos por el mercurio

en su forma metálica en ambientes cerrados. El metil-mercurio puede atravesar la

placenta, acumularse, y provocar daño en el cerebro y en los tejidos de los

neonatos, quienes son especialmente sensibles a esta sustancia. También puede

existir exposición al mercurio a través de la leche materna; en este caso, los

efectos pueden provocar problemas de desarrollo, retrasos en el andar, en el

habla o mentales, falta de coordinación, ceguera y convulsiones. En adultos, la

exposición constante, a través de la ingesta de alimentos contaminados, pescados

por lo general, puede provocar cambios de personalidad, pérdida de visión,

memoria o coordinación, sordera o problemas en los riñones y pulmones. La

Agencia Internacional para la Investigación sobre el Cáncer (IARC, por sus siglas

en inglés) de la Organización Mundial de la Salud (OMS), considera al metil-

mercurio y sus compuestos como posiblemente carcinogénico en seres humanos

(Grupo 2B). El metil-mercurio, que es la forma más tóxica, se acumula en los

tejidos de los peces; los especímenes de mayor tamaño y de mayor edad tienden

a concentrar niveles de mercurio más altos.

113

Manganeso, dado que los tipos de pila más consumidos son alcalinas y C-Zn

(aproximadamente el 76% del consumo total de pilas y baterías), el óxido de

manganeso contenido en ellas es el contaminante que en mayor volumen se ha

liberado al medio ambiente en las últimas cuatro décadas, lo que representa

aproximadamente 145.917 toneladas. Con respecto a los efectos adversos

ocasionados en la salud humana por esta sustancia, diversos estudios sugieren

efectos neurológicos serios por exposición oral al manganeso. Por ejemplo, un

estudio hecho por la OMS reporta que en 1981 se notificó una intoxicación en una

comunidad de Japón, debida a que cerca de un pozo de agua se enterraron

aproximadamente 400 piezas de pilas a una distancia aproximada de dos metros,

lo cual provocó 16 casos de envenenamiento; tres fueron fatales. Los niveles de

manganeso detectados en el agua de ese pozo fueron de 14 miligramos por litro,

mientras que en otros dos pozos los niveles alcanzaron 8 y 11 miligramos por litro.

Los sujetos de la comunidad exhibieron desórdenes de tipo psicológico y

neurológico asociados a la intoxicación.

Lo que se sugiere en esta oportunidad, es la utilización de supercapacitores como

reemplazo a las pilas y baterías, debido a que no poseen sustancias

contaminantes, ostentan mayor vida útil, y en los últimos años se han logrado

rendimientos del orden de 10 a 30 Wh/kg situándolos en una posición que compite

con las pilas y baterías tradicionales.

Los supercapacitores, también conocidos como capacitores electroquímicos de

doble capa (EDLCs por sus siglas en inglés), tienen una densidad de energía

inusualmente alta en comparación con los capacitores comunes, generalmente

miles de veces mayor que un capacitor electrolítico de alta capacidad. Por

ejemplo, un típico capacitor electrolítico D-Cell tendrá una capacidad de decenas

de mili faradios (mF). Un EDLC del mismo tamaño tendría una capacidad de

varios Faradios (F), una mejora de alrededor de dos o tres órdenes de magnitud

en la capacidad, pero generalmente a un menor voltaje de trabajo. Los EDLCs

114

comerciales son más grandes y cuentan con capacidades tan altas como 5000 F.

La mayor densidad de energía en la producción es de 30 Wh / kg.

Un capacitor es un elemento pasivo de circuito eléctrico con dos terminales

formado por dos placas conductoras separadas por un aislante o dieléctrico,

donde se almacena energía eléctrica en forma de energía estática.

Los supercapacitores (también conocidos como súper condensadores,

ultracapacitores, capacitores de potencia, capacitores de doble capa o capacitores

electroquímicos) son dispositivos pasivos de almacenamiento de energía con una

capacitancia mayor a un faradio. El primer supercapacitor fue patentado por el

ingeniero eléctrico H. E. Becker para la General Electric en 1957, y se basaba en

el principio de aumento del área de las placas sustituyendo la interfaz cerámica o

polimérica entre las placas con un material poroso de carbono en una disolución

electrolítica, produciendo un aumento en el área de las placas y por tanto en la

capacitancia.

Figura 6.4.9 Supercapacitores, no contaminantes, con mayor vida útil que las pilas / baterías

Fuente: http://www.electronicspecifier.com/public/primages/50067878.jpg

115

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Volume 1, 11-18 May 2003 Page(s):857 - 860 Vol.1

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Volume 138, Issue 4, Jul 1991 Page(s):237 – 241

[14] Cantor, Clarence; "Fine Sun Tracker for Advanced Orbiting Solar

Observatory". Aerospace and Navigational Electronics, IEEE Transactions

on Volume Technical_Paper, Issue 0, Oct. 1963 Page(s):1.5.4-1 - 1.5.4-10

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[18] E. FIGUEROA DE LEWIN ANA MARÍA; Monmany de Lomáscolo Teresa,

Enseñando la Mecánica a Partir del Concepto de Energía, VIII Conferencia

Interamericana Sobre Educación en Física, A-15, La Habana, julio 2003.

[19] Superconductivity: an emerging power-dense energy-efficient technology

Gubser, D.U.; Applied Superconductivity, IEEE Transactions on Volume 14,

Issue 4, Dec. 2004 Page(s):2037 - 2046 Digital Object Identifier

10.1109/TASC.2004.838318

[20] Superconductivity: a brief introduction to its phenomenology and theories

Falicov, L.M.; Quantum Electronics, IEEE Journal of Volume 25, Issue 11,

Nov. 1989 Page(s):2358 - 2364 Digital Object Identifier 10.1109/3.42067

118

ANEXOS

119

ANEXO Nº 1

GLOSARIO DE TERMINOS

120

Acelerómetro: Dispositivo electrónico que mide inclinaciones en base a la

aceleración de gravedad.

Azimut: Angulo medido desde cualquier punto de la tierra con respecto al norte

magnético.

ACC: Del Inglés Analog Digital Converter, Conversor Análogo Digital, que sirve

para digitalizar una señal analógica por medio de muestreos.

ALU: Del Inglés Aritmetic Logic Unit, Unidad Aritmética Lógica, localizada en el

interior de algunos circuitos integrados, es la encargada de realizar operaciones

matemáticas y lógicas.

BCD: Del Inglés Binary Counter Decimal, Contador Binario Decimal.

BFD: Banda de Flotación Dinámica.

BIT: Unidad mínima de información digital.

BUCK BOOST: Conversor CC-CC que tiene una magnitud de voltaje de salida

que puede ser mayor o menor que la magnitud del voltaje de entrada.

Byte: Arreglo de 8 bits, que forman un Byte.

C.A.: Corriente Alterna.

CCD: Del Inglés Charge Coupled Device, dispositivo de cargas eléctricas

interconectadas.

CIGS: Cobre Indio Galio Diselenido

121

CISC: Del Inglés Complex Instruction Set Computing. Los microprocesadores

CISC tienen un conjunto de instrucciones que se caracteriza por ser muy amplio y

permitir operaciones complejas entre operandos situados en la memoria o en los

registros internos, en contraposición a la arquitectura RISC.

CMOS: Del Inglés Complementary Metal Oxide Semiconductor, Semiconductor

complementario de metal oxidado. Su principal característica consiste en la

utilización conjunta de transistores de tipo pMOS y tipo nMOS configurados de tal

forma que en estado de reposo, el consumo de energía es despreciable.

CPU: Del Inglés Central Processing Unit, Unidad Central de Procesamiento.

CC: Del Inglés Direct Current, Corriente Directa, o continua.

Driver: Componente que permite conectar dispositivos distintos.

DSD: Del Inglés Disconnection Source Discharge, Desconexión de la fuente por

descarga, desconecta la alimentación de las baterías CC, cuando se detecta una

descarga abrupta.

EDLCs: Del Inglés Electric Double Layer Capacitors, condensadores eléctricos

de doble capa, más conocidos como supercapacitores, tienen la capacidad de

almacenar tanta energía como una batería convencional.

Eclíptica: Movimiento aparente del Sol visto desde la Tierra.

EEPROM: Del Inglés Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

Es un tipo de memoria ROM que puede ser programado, borrado y reprogramado

eléctricamente, a diferencia de la EPROM que ha de borrarse mediante un aparato

que emite rayos ultravioletas. Son memorias no volátiles.

122

Esquemático: Planos eléctricos que contienen la topología que deben seguir los

distintitos componentes electrónicos del proyecto.

Flash: La memoria flash es una forma desarrollada de la memoria EEPROM que

permite que múltiples posiciones de memoria sean escritas o borradas en una

misma operación de programación mediante impulsos eléctricos, frente a las

anteriores que sólo permite escribir o borrar una única celda cada vez. Por ello,

flash permite funcionar a velocidades muy superiores cuando los sistemas

emplean lectura y escritura en diferentes puntos de esta memoria al mismo

tiempo.

Flyback: es un convertidor CC a CC con aislamiento galvánico entre entrada y

salida. Tiene la misma estructura que un convertidor Buck-Boost con dos bobinas

acopladas en lugar de una única bobina.

GND: Del Inglés Ground, que significa tierra o masa, donde generalmente debe

conectarse el polo negativo de los equipos electrónicos.

GMT: Del Inglés Greenwich Mean Time, referencia horaria a partir del meridiano

de Greenwich.

GPS: Del Inglés Global Position System, Sistema de Posicionamiento Global

Satelital.

IEEE: Del Inglés Institute of electrical and Electronic Engineers, Instituto de

Ingenieros Eléctricos y Electrónicos.

ISCCP: Del Inglés International Satellite Clouds Climatology Project, Proyecto

Internacional de Climatología de Nubes por Satélite.

LDR: Del Inglés Light Dependent Resistor, Resistencia dependiente de la luz.

123

LED: Del Inglés Light Emition Diode, Diodo Emisor de Luz.

Max232: Es un circuito integrado que convierte señales provenientes de un puerto

serial, con protocolo RS232, en señales del tipo TTL, para ser compatible y

utilizadas con circuitos lógicos digitales.

Microcontrolador: Dispositivo electrónico capaz de ejecutar o seguir un programa

que se graba en su memoria interna.

MIPS: Millones de Instrucciones por Segundo.

MPP: Del Inglés Maximum Power Point, Punto máximo de poder, concepto muy

utilizado en la fabricación y modelamiento de los paneles solares FV.

NGCC: Del Inglés National Geophysical Data Center, Centro Nacional de Datos

Geofísicos.

Panel FV: Panel Solar Fotovoltaico.

PCB: Del Inglés Proyect Circuit Board, circuito impreso o placa que contiene los

componentes electrónicos, conectados de tal manera que siguen la topología de

su correspondiente esquemático.

PID: proporcional Integrativo Derivativo.

PT-100: Es un sensor de temperatura que basa su funcionamiento en la variación

de resistencia a cambios de temperatura del medio. El elemento consiste en un

arrollamiento muy fino de Platino bobinado entre capas de material aislante y

protegido por un revestimiento cerámico.

124

Puente H: Componentes electrónicos dispuestos en forma de H, para controlar el

giro ce un motor CC.

PWM: Del Inglés Pulse Width Modulation, Modulación por ancho de pulsos,

técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una fuente de poder para

controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

RISC: Del Inglés Reduced Instruction Set Computer, Computadora con conjunto

de Instrucciones Reducida. Arquitectura que posibilita la segmentación y el

paralelismo en la ejecución de instrucciones, reduciendo los accesos a memoria.

RMS: Del Inglés Root Mean Square, Raíz Media Cuadrática, es el valor del

voltaje o corriente en C.A. que produce el mismo efecto de disipación de calor que

su equivalente de voltaje o corriente directa.

ROM: Del Inglés Read Only Memory, memorias de sólo lectura, no puede

escribirse datos en ellas.

RTC: Del Inglés Real Time Clock, Reloj de Tiempo Real, circuito integrado que es

un reloj de precisión para utilizar en sistema electrónicos.

SLP: Sistema de Limpieza de Placas solares.

SMA: Del Inglés Shape Memory Alloy, actuadores de aleación bimetal con

memoria de forma.

SPI: Del Inglés Serial Peripherical Interface, Interfaz Periférica Serial, es un bus

de tres líneas, sobre el cual se transmiten paquetes de información de 8 bits. Cada

una de estas tres líneas porta la información entre los diferentes dispositivos

conectados al bus. Cada dispositivo conectado al bus puede actuar como

transmisor y receptor al mismo tiempo, por lo que este tipo de comunicación serial

125

es full duplex. Dos de estas líneas trasfieren los datos (una en cada dirección) y la

tercera línea es la del reloj.

SRAM: Del Inglés Static Random Access Memory, Memoria Estática de Acceso

Aleatorio es un tipo de memoria basada en semiconductores que, a diferencia de

la memoria DRAM, es capaz de mantener los datos (mientras esté alimentada) sin

necesidad de circuito de refresco (no se descargan). Sin embargo, sí son

memorias volátiles, es decir que pierden la información si se les interrumpe la

alimentación eléctrica.

TEP: Del Inglés UK. Tones Energy Petrol, Toneladas de energía en petróleo, es

una forma de referirse a la energía.

TOE: Del Inglés US. Tones Oil Energy, Toneladas de energía en petróleo, es una

forma de referirse a la energía.

TPES: Del Inglés Total Primary Energy Suply, Suministro Total de energía

Primaria del Mundo.

TTL: Del Inglés Transistor Transistor Logical, Lógica de transistor transistor,

comúnmente en dispositivos de 5VCC.

USART: Del Inglés Universal asynchronous receiver/transmitter, significa

Receptor / Transmisor Sincrónico /Asincrónico Universal, comúnmente localizadas

en microcontroladores, sirven para transmitir datos en formato serie.

Ustorios: Del Latín ustor, ustoris, que significa el que quema, concepto

introducido por Arquímedes en la fabricación de espejos capaces de reflejar y

concentrar los haces de luz solar y provocar gran cantidad de calor.

126

VBA: Del Inglés Visual Basic for Applications, Lenguaje de programación

basado en código Basic, generalmente usado para programar macros en Excel.

VBAT: Voltaje de batería

VCC: Del Inglés Voltage Common Cathode, Voltaje de cátodo común, sirve para

especificar la fuente de voltaje empleada en el sistema.

127

ANEXO Nº 2

CODIGO FUENTE DE LA MACRO “INTEGRAL MOVIL” DESARROLLADA EN VBA PARA EXCEL

128

Sub Integral()

Application.ScreenUpdating = False

Range("D4:E340").Select

Selection.ClearContents

Range("B1").Select

a = Range("B1").Value

a = a - 1

msg = "=SUM(RC[-2]:R["

msg = msg & a

msg = msg & "]C[-2])"

For i = 1 To 337 - a

Hoja1.Cells(i + 3, 4).Select

ActiveCell.FormulaR1C1 = msg

Next i

Range("D1").Select

ActiveCell.FormulaR1C1 = "=MAX(R[3]C:R[353]C)"

For i = 1 To 337

If Hoja1.Cells(i + 3, 4) = Range("D1").Value Then

Range(Cells(i + 3, 2), Cells(i + 3 + a, 2)).Select

Selection.Copy

Hoja1.Cells(i + 3, 5).Select

ActiveSheet.Paste

End If

Next i

Range("D4:E340").Select

Selection.Copy

Selection.PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _

:=False, Transpose:=False

Application.CutCopyMode = False

Range("B1").Select

Application.ScreenUpdating = True

End Sub

129

ANEXO Nº 3

LISTADO DE MUESTRAS OBTENIDAS CON SENSOR

130

Muestras correspondientes a un día soleado Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria

1 332 0,5 20366 51 673 27,2 25244 673 2 332 1,1 20707 52 674 27,8 25094 674 3 332 1,6 21050 53 675 28,3 24936 675 4 334 2,1 21395 54 675 28,8 24766 675 5 333 2,7 21740 55 677 29,4 24592 677 6 335 3,2 22087 56 677 29,9 24407 677 7 337 3,7 22433 57 678 30,4 24207 678 8 341 4,3 22777 58 678 31,0 23997 678 9 345 4,8 23115 59 679 31,5 23775 679

10 353 5,3 23445 60 679 32,0 23547 679 11 371 5,9 23766 61 678 32,6 23307 678 12 407 6,4 24068 62 677 33,1 23053 677 13 454 6,9 24335 63 676 33,6 22785 676 14 466 7,5 24556 64 675 34,2 22510 675 15 476 8,0 24765 65 673 34,7 22232 673 16 498 8,5 24966 66 672 35,3 21934 672 17 522 9,1 25145 67 669 35,8 21620 669 18 530 9,6 25301 68 665 36,3 21249 665 19 532 10,1 25449 69 662 36,9 20862 662 20 537 10,7 25596 70 656 37,4 20463 656 21 544 11,2 25738 71 653 37,9 20048 653 22 556 11,8 25872 72 647 38,5 19623 647 23 549 12,3 25993 73 640 39,0 19194 640 24 570 12,8 26120 74 632 39,5 18770 25 573 13,4 26225 75 624 40,1 18344 26 577 13,9 26325 76 622 40,6 17916 27 586 14,4 26420 77 612 41,1 17483 28 593 15,0 26503 78 604 41,7 17052 29 599 15,5 26575 79 599 42,2 16626 30 600 16,0 26638 80 597 42,7 16199 31 607 16,6 26694 81 586 43,3 15764 32 625 17,1 26740 82 576 43,8 15334 33 637 17,6 26762 83 568 44,3 14910 34 644 18,2 26765 644 84 561 44,9 14492 35 650 18,7 26753 650 85 557 45,4 14076 36 653 19,2 26727 653 86 548 45,9 13658 37 655 19,8 26696 655 87 545 46,5 13244 38 656 20,3 26653 656 88 538 47,0 12829 39 659 20,8 26601 659 89 535 47,5 12420 40 666 21,4 26541 666 90 532 48,1 12011 41 673 21,9 26472 673 91 523 48,6 11601 42 675 22,4 26385 675 92 516 49,1 11196 43 677 23,0 26286 677 93 505 49,7 10799 44 679 23,5 26177 679 94 501 50,2 10409 45 680 24,0 26059 680 95 492 50,7 10020 46 681 24,6 25936 681 96 477 51,3 9638 47 681 25,1 25803 681 97 468 51,8 9268 48 679 25,6 25667 679 98 456 52,3 8906 49 675 26,2 25526 675 99 451 52,9 8553 50 674 26,7 25386 674 100 439 53,4 8204

131

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria101 424 53,9 7865 151 88 80,7 3805 102 409 54,5 7541 152 86 81,2 3838 103 401 55,0 7230 153 86 81,7 3875 104 397 55,5 6925 154 85 82,3 3907 105 375 56,1 6622 155 85 82,8 3939 106 358 56,6 6340 156 85 83,3 3974 107 298 57,2 6075 157 84 83,9 4010 108 278 57,7 5869 158 83 84,4 4048 109 263 58,2 5682 159 84 84,9 4088 110 241 58,8 5508 160 83 85,5 4127 111 228 59,3 5356 161 83 86,0 4168 112 218 59,8 5216 162 83 86,5 4211 113 216 60,4 5084 163 82 87,1 4252 114 206 60,9 4954 164 82 87,6 4292 115 196 61,4 4833 165 82 88,1 4327 116 189 62,0 4722 166 84 88,7 4355 117 181 62,5 4618 167 87 89,2 4375 118 178 63,0 4521 168 89 89,7 4389 119 172 63,6 4426 169 91 90,3 4401 120 162 64,1 4338 170 93 90,8 4410 121 156 64,6 4259 171 96 91,3 4417 122 152 65,2 4186 172 100 91,9 4421 123 150 65,7 4117 173 106 92,4 4422 124 145 66,2 4049 174 112 92,9 4417 125 139 66,8 3986 175 115 93,5 4407 126 134 67,3 3929 176 109 94,0 4395 127 130 67,8 3879 177 97 94,5 4389 128 129 68,4 3836 178 100 95,1 4393 129 126 68,9 3796 179 96 95,6 4393 130 122 69,4 3761 180 96 96,1 4395 131 118 70,0 3732 181 97 96,7 4397 132 119 70,5 3710 182 99 97,2 4399 133 115 71,0 3691 183 104 97,7 4401 134 112 71,6 3682 184 106 98,3 4400 135 110 72,1 3682 185 106 98,8 4399 136 107 72,6 3687 186 105 99,3 4399 137 106 73,2 3689 187 107 99,9 4399 138 103 73,7 3680 188 114 100,4 4398 139 102 74,2 3677 189 115 100,9 4390 140 100 74,8 3671 190 120 101,5 4381 141 100 75,3 3667 191 121 102,0 4367 142 98 75,8 3664 192 123 102,6 4354 143 96 76,4 3665 193 118 103,1 4340 144 94 76,9 3673 194 117 103,6 4333 145 93 77,4 3685 195 120 104,2 4326 146 93 78,0 3698 196 121 104,7 4317 147 92 78,5 3710 197 122 105,2 4307 148 91 79,1 3725 198 123 105,8 4295 149 89 79,6 3748 199 123 106,3 4281 150 89 80,1 3774 200 124 106,8 4266

132

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria201 126 107,4 4249 251 102 134,1 4016 202 124 107,9 4230 252 102 134,6 4010 203 122 108,4 4211 253 103 135,1 4004 204 117 109,0 4193 254 104 135,7 3998 205 110 109,5 4179 255 104 136,2 3991 206 104 110,0 4171 256 103 136,7 3984 207 101 110,6 4169 257 103 137,3 3979 208 101 111,1 4169 258 102 137,8 3974 209 100 111,6 4169 259 101 138,3 3969 210 100 112,2 4170 260 101 138,9 3965 211 100 112,7 4171 261 101 139,4 3961 212 101 113,2 4173 262 102 139,9 3956 213 101 113,8 4174 263 103 140,5 3949 214 102 114,3 4176 264 103 141,0 3941 215 103 114,8 4178 265 103 141,5 3931 216 103 115,4 4179 266 103 142,1 3921 217 101 115,9 4179 267 102 142,6 3911 218 100 116,4 4181 268 102 143,1 3902 219 98 117,0 4183 269 103 143,7 3893 220 98 117,5 4186 270 101 144,2 3882 221 99 118,0 4189 271 102 144,7 3873 222 101 118,6 4191 272 102 145,3 3863 223 103 119,1 4192 273 104 145,8 3852 224 105 119,6 4192 274 101 146,4 3839 225 106 120,2 4190 275 101 146,9 3828 226 105 120,7 4187 276 100 147,4 3818 227 106 121,2 4185 277 100 148,0 3808 228 106 121,8 4181 278 98 148,5 3799 229 106 122,3 4177 279 98 149,0 3792 230 106 122,8 4174 280 98 149,6 3786 231 108 123,4 4169 281 97 150,1 3780 232 109 123,9 4163 282 97 150,6 3776 233 111 124,5 4156 283 96 151,2 3772 234 110 125,0 4149 284 96 151,7 3769 235 111 125,5 4140 285 96 152,2 3767 236 111 126,1 4130 286 97 152,8 3765 237 110 126,6 4119 287 97 153,3 3762 238 109 127,1 4109 288 97 153,8 3759 239 108 127,7 4098 289 96 154,4 3756 240 107 128,2 4088 290 95 154,9 3754 241 107 128,7 4079 291 96 155,4 3753 242 105 129,3 4069 292 96 156,0 3752 243 104 129,8 4061 293 97 156,5 3751 244 103 130,3 4053 294 97 157,0 3749 245 102 130,9 4046 295 97 157,6 3749 246 102 131,4 4040 296 98 158,1 3750 247 101 131,9 4035 297 98 158,6 3750 248 101 132,5 4031 298 97 159,2 3751 249 101 133,0 4027 299 97 159,7 250 101 133,5 4022 300 97 160,2

133

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria301 96 160,8 302 95 161,3 303 95 161,8 304 93 162,4 305 93 162,9 306 93 163,4 307 93 164,0 308 93 164,5 309 92 165,0 310 92 165,6 311 92 166,1 312 91 166,6 313 91 167,2 314 90 167,7 315 91 168,2 316 90 168,8 317 91 169,3 318 91 169,9 319 92 170,4 320 92 170,9 321 93 171,5 322 93 172,0 323 93 172,5 324 94 173,1 325 94 173,6 326 94 174,1 327 94 174,7 328 94 175,2 329 94 175,7 330 94 176,3 331 95 176,8 332 95 177,3 333 95 177,9 334 97 178,4 335 98 178,9 336 98 179,5 337 99 180,0

134

Muestras correspondientes a un día nublado Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria

1 107 0,5 7025 51 362 27,2 20445 2 106 1,1 7236 52 343 27,8 20842 3 107 1,6 7439 53 348 28,3 21270 4 107 2,1 7622 54 355 28,8 21707 5 107 2,7 7811 55 362 29,4 22152 6 110 3,2 8006 56 367 29,9 22601 7 110 3,7 8229 57 376 30,4 23058 8 112 4,3 8432 58 383 31,0 23518 9 116 4,8 8640 59 389 31,5 23981

10 119 5,3 8851 60 396 32,0 24452 11 122 5,9 9064 61 403 32,6 24925 12 125 6,4 9304 62 412 33,1 25398 13 129 6,9 9522 63 420 33,6 25870 14 133 7,5 9741 64 427 34,2 26340 15 136 8,0 9963 65 460 34,7 26809 16 142 8,5 10189 66 446 35,3 27249 17 145 9,1 10414 67 457 35,8 27705 18 190 9,6 10645 68 467 36,3 28152 19 155 10,1 10838 69 477 36,9 28593 20 161 10,7 11072 70 485 37,4 29027 21 164 11,2 11307 71 496 37,9 29454 22 170 11,8 11546 72 509 38,5 29873 23 199 12,3 11788 73 521 39,0 30281 24 181 12,8 12009 74 530 39,5 30678 25 187 13,4 12255 75 542 40,1 31068 26 192 13,9 12528 76 553 40,6 31448 27 197 14,4 12782 77 566 41,1 31819 28 232 15,0 13042 78 579 41,7 32177 29 209 15,5 13277 79 590 42,2 32525 30 216 16,0 13545 80 605 42,7 32863 31 221 16,6 13814 81 620 43,3 33186 32 266 17,1 14089 82 633 43,8 33497 33 235 17,6 14332 83 646 44,3 33775 34 239 18,2 14618 84 658 44,9 34061 35 247 18,7 14909 85 676 45,4 34335 36 251 19,2 15204 86 691 45,9 34591 37 279 19,8 15506 87 702 46,5 34834 38 261 20,3 15793 88 716 47,0 35046 39 267 20,8 16111 89 732 47,5 35265 40 273 21,4 16434 90 745 48,1 35467 41 318 21,9 16766 91 759 48,6 35658 42 309 22,4 17068 92 771 49,1 35836 43 290 23,0 17392 93 785 49,7 35986 44 296 23,5 17748 94 800 50,2 36137 45 302 24,0 18110 95 811 50,7 36274 46 333 24,6 18484 96 824 51,3 36400 47 313 25,1 18842 97 836 51,8 36491 48 320 25,6 19231 98 846 52,3 36592 49 327 26,2 19627 99 860 52,9 36683 50 332 26,7 20032 100 869 53,4 36759

135

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria101 876 53,9 36827 151 935 80,7 36998 102 884 54,5 36869 152 934 81,2 36982 103 890 55,0 36922 153 934 81,7 36966 104 896 55,5 36969 154 933 82,3 36952 105 900 56,1 37009 155 913 82,8 36939 106 902 56,6 37023 156 933 83,3 36946 107 904 57,2 37059 157 932 83,9 36933 108 908 57,7 37091 158 932 84,4 36919 109 911 58,2 37118 159 931 84,9 36906 110 912 58,8 37142 160 931 85,5 36896 111 915 59,3 37143 161 930 86,0 36885 112 917 59,8 37163 162 929 86,5 36875 113 918 60,4 37180 163 929 87,1 36867 114 920 60,9 37196 164 928 87,6 36859 115 922 61,4 37209 165 927 88,1 36852 116 924 62,0 37200 166 928 88,7 36847 117 924 62,5 37209 167 927 89,2 36840 118 927 63,0 37217 168 926 89,7 36835 119 928 63,6 37222 169 908 90,3 36831 120 928 64,1 37225 170 926 90,8 36846 121 931 64,6 37228 171 926 91,3 36842 122 911 65,2 37227 172 926 91,9 36838 123 932 65,7 37245 173 923 92,4 36835 124 932 66,2 37242 174 923 92,9 36837 125 932 66,8 37238 175 924 93,5 36838 126 934 67,3 37233 176 923 94,0 36838 127 914 67,8 37227 177 923 94,5 36840 128 935 68,4 37240 178 922 95,1 36842 129 934 68,9 37231 179 921 95,6 36846 130 936 69,4 37205 180 921 96,1 36851 131 937 70,0 37195 181 920 96,7 36856 132 921 70,5 37184 182 921 97,2 36863 133 936 71,0 37189 183 920 97,7 36871 134 937 71,6 37176 184 921 98,3 36878 135 937 72,1 37162 185 920 98,8 36886 136 915 72,6 37149 186 920 99,3 36894 137 937 73,2 37157 187 920 99,9 36905 138 937 73,7 37143 188 919 100,4 36914 139 936 74,2 37128 189 920 100,9 36925 140 937 74,8 37113 190 919 101,5 36934 141 918 75,3 37097 191 919 102,0 36946 142 937 75,8 37099 192 918 102,6 36940 143 937 76,4 37083 193 920 103,1 36953 144 936 76,9 37066 194 920 103,6 36965 145 914 77,4 37051 195 920 104,2 36977 146 938 78,0 37057 196 920 104,7 36990 147 936 78,5 37039 197 918 105,2 36984 148 935 79,1 37023 198 919 105,8 36999 149 935 79,6 37007 199 921 106,3 37015 150 913 80,1 36992 200 920 106,8 37027

136

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria201 920 107,4 37021 251 936 134,1 37329 936 202 921 107,9 37036 252 937 134,6 37316 937 203 921 108,4 37050 253 937 135,1 37301 937 204 921 109,0 37065 254 917 135,7 37284 917 205 922 109,5 37080 255 937 136,2 37285 937 206 921 110,0 37077 256 938 136,7 37264 938 207 922 110,6 37091 257 939 137,3 37241 939 208 922 111,1 37106 258 938 137,8 37215 938 209 923 111,6 37121 259 918 138,3 37190 918 210 922 112,2 37137 260 937 138,9 37181 937 211 922 112,7 37154 261 938 139,4 37151 938 212 923 113,2 37168 262 937 139,9 37118 937 213 925 113,8 37182 263 938 140,5 37081 938 214 924 114,3 37194 264 938 141,0 37041 938 215 924 114,8 37187 265 938 141,5 36996 938 216 925 115,4 37200 266 938 142,1 36947 938 217 925 115,9 37213 267 937 142,6 36892 937 218 926 116,4 37227 268 938 143,1 36828 938 219 926 117,0 37239 269 936 143,7 36758 936 220 926 117,5 37231 270 938 144,2 36678 938 221 927 118,0 37242 271 938 144,7 36588 938 222 929 118,6 37253 272 937 145,3 36487 937 223 927 119,1 37261 273 915 145,8 36374 915 224 929 119,6 37272 274 936 146,4 36282 936 225 928 120,2 37281 275 936 146,9 36164 936 226 931 120,7 37291 276 934 147,4 36047 934 227 929 121,2 37298 277 935 148,0 35931 935 228 930 121,8 37306 278 933 148,5 35812 933 229 929 122,3 37314 279 934 149,0 35691 934 230 931 122,8 37321 280 934 149,6 35562 934 231 913 123,4 37328 281 932 150,1 35426 232 931 123,9 37353 282 933 150,6 35277 233 932 124,5 37359 283 931 151,2 35118 234 932 125,0 37342 284 930 151,7 34951 235 933 125,5 37346 285 929 152,2 34772 236 914 126,1 37349 286 929 152,8 34580 237 933 126,6 37369 287 928 153,3 34367 238 935 127,1 37371 288 926 153,8 34144 239 933 127,7 37369 289 925 154,4 33911 240 914 128,2 37370 290 924 154,9 33661 241 935 128,7 37390 935 291 923 155,4 33399 242 935 129,3 37387 935 292 922 156,0 33119 243 936 129,8 37385 936 293 920 156,5 32827 244 936 130,3 37380 936 294 918 157,0 32522 245 919 130,9 37374 919 295 916 157,6 32207 246 935 131,4 37384 935 296 915 158,1 31906 247 937 131,9 37378 937 297 913 158,6 31561 248 937 132,5 37369 937 298 913 159,2 31203 249 939 133,0 37358 939 299 909 159,7 250 939 133,5 37344 939 300 907 160,2

137

Muestras ACC Grados SumaTotal Sumatoria301 905 160,8 302 900 161,3 303 898 161,8 304 893 162,4 305 889 162,9 306 883 163,4 307 873 164,0 308 868 164,5 309 856 165,0 310 848 165,6 311 837 166,1 312 824 166,6 313 823 167,2 314 818 167,7 315 819 168,2 316 818 168,8 317 816 169,3 318 812 169,9 319 805 170,4 320 798 170,9 321 783 171,5 322 774 172,0 323 764 172,5 324 751 173,1 325 737 173,6 326 716 174,1 327 705 174,7 328 693 175,2 329 675 175,7 330 662 176,3 331 643 176,8 332 630 177,3 333 615 177,9 334 603 178,4 335 615 178,9 336 570 179,5 337 555 180,0

138

ANEXO Nº 4

DESCRIPCION DE LA TECNOLOGIA

139

FUNCIONAMIENTO DE UNA CELULA SOLAR FOTOVOLTAICA Básicamente, una célula solar comprende una juntura PN en el cual la

energía luminosa (fotones) hace que los electrones y huecos se recombinen, lo

que genera una corriente eléctrica, debido a que las características de una unión

PN son similares a las de un diodo. El circuito eléctrico mostrado en la figura 7.4.1

se utiliza a menudo como un modelo simplificado de las características de la célula

solar.

Figura 6.4.1 Figura 7.4.1 Modelo simplificado del circuito de una célula solar .

Fuente: By Jinrong Qian and Nigel Smith, Texas Instruments

La fuente de corriente IPH genera una corriente medianamente proporcional a la

cantidad de luz que recae sobre la célula. Sin carga conectada, casi todos los

flujos de corriente generados a través del diodo D, traspasan la tensión de la

célula solar, que determina la tensión en circuito abierto (VOC. Esta tensión varía

un poco con las propiedades exactas de cada tipo de célula solar. Pero para la

mayoría de células de silicio, está en el rango entre 0,6V y 0.5V, que es el

desarrollo normal de tensión de un diodo de unión PN. La resistencia en paralelo

(Rp) representa una pequeña corriente de fuga que se produce en la práctica en

las células, mientras que (Rs) representa las pérdidas por conexión. Como la

corriente de carga aumenta, más que la corriente generada por la célula solar,

ésta se desvía fuera del diodo hacia la carga. Para la mayoría de los valores de

corriente de carga, el efecto sobre la tensión de salida se considera despreciable.

La figura 7.4.2, muestra las características de salida de una célula solar. Existe un

pequeño cambio debido a las características de corriente y voltaje del diodo.

También hay una pequeña caída de tensión debido a la resistencia en serie (Rs)

140

pero la tensión de salida sigue siendo en gran parte constante. Sin embargo, en

algún punto la corriente que fluye por el interior del diodo se vuelve tan pequeña

que resulta insuficiente, y el voltaje disminuye rápidamente al aumentar la

corriente de carga. Finalmente, cuando todos los flujos de la corriente generada

fluyen a través de la carga y no a través del diodo, la tensión de salida es cero.

Esta corriente es conocida como la corriente de cortocircuito (ISC) de la célula

solar. Junto con el VOC, es uno de los principales parámetros que definen su

rendimiento operativo. Por lo tanto, la célula solar se considera como una fuente

de energía de corriente limitada. La figura 7.4.2 muestra que, cuando la corriente

de salida aumenta, disminuye el voltaje de salida hasta que finalmente se reduce a

cero, entonces la carga llega a su corriente de cortocircuito.

Figura 6.4.2 Figura 7.4.2 Relación voltaje corriente característica de las células solares .

Fuente: By Jinrong Qian and Nigel Smith, Texas Instruments

En la mayoría de las aplicaciones, es conveniente obtener la mayor cantidad

posible de energía de la célula solar. Puesto que la producción de energía es el

producto de voltaje y corriente de salida, es necesario determinar qué parte de la

región de la curva del grafico entregará el valor máximo del producto de voltaje y

corriente de salida, como la relación V/I es altamente no lineal, se debe poner

atención en el punto de máxima potencia MPP (Maximum Power Point).

Observando la figura 2 se tiene; en un extremo, la tensión de salida se encuentra

en su valor máximo (VOC), pero la producción actual es cero. En el otro extremo,

la corriente de salida se encuentra en su valor máximo (ISC), pero la tensión de

141

salida es cero. En ambos casos, el producto de salida de voltaje y corriente es

igual a cero. Por lo tanto, el MPP debe recaer en algún punto entre los dos

extremos.

Se puede demostrar experimentalmente que para cualquier aplicación, el MPP se

encuentra en algún lugar de la curva de producción característica de la célula solar

(Ver figura 7.4.3). El problema es que en la práctica la ubicación exacta del MPP

de una célula solar varía con la luz y la temperatura ambiente. Para maximizar la

generación de energía solar, los sistemas diseñados deben considerar la

dinámica a escala de la célula solar de manera que se opere en o cerca del MPP

en virtud de las condiciones reales de funcionamiento.

Figura 6.4.3 Figura 7.4.3 Curva características del producto [V] [I] de una Célula Solar FV .

. Fuente: By Jinrong Qian and Nigel Smith, Texas Instruments

SISTEMA DE CARGA DE BATERIA Y REGULADOR DE VOLTAJE El sistema de carga de batería y regulador de voltaje, es un dispositivo

encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobre descargas

profundas, controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la

intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil, también genera

alarmas en función del estado de dicha carga. Además el sistema de carga posee

un regulador de voltaje para alimentar la carga conectada al sistema fotovoltaico.

Los sistemas de carga actuales poseen microcontroladores para la correcta

gestión de un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control

142

capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la

modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones

especiales. Incluso algunos memorizan datos que permiten conocer cual ha sido

la evolución de la instalación durante un tiempo determinado. Para ello,

consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga, y

capacidad del acumulador.

Existen dos tipos de sistema de carga:

♦ Lineales

♦ Conmutados PWM

La regulación de la intensidad de carga de las baterías se realiza por:

♦ Igualación: Esta respuesta del regulador permite la realización automática

de cargas de igualación de los acumuladores tras un período de tiempo en

el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo la generación

de vapores nocivos en el acumulador.

♦ Carga profunda: Tras la igualación, el sistema de regulación permite la

entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción hasta

alcanzar el punto de tensión final de carga. Alcanzado dicho punto el

sistema de regulación interrumpe la carga y el sistema de control pasa a la

segunda fase, la flotación. Cuando se alcanza la tensión final de carga, la

batería ha alcanzado un nivel de carga próximo al 90% de su capacidad, en

la siguiente fase se completará la carga.

♦ Carga final y flotación: La carga final del acumulador se realiza

estableciendo una zona de actuación del sistema de regulación dentro de lo

que denominamos “Banda de Flotación Dinámica” (BFD). La BFD es un

rango de tensión cuyos valores máximos y mínimos se fijan entre la tensión

final de carga y la tensión nominal + 10% aproximadamente. Una vez

alcanzado el valor de voltaje de plena carga de la batería, el regulador

inyecta una corriente pequeña para mantenerla a plena carga, o sea,

143

inyecta la corriente de flotación. Esta corriente se encarga por tanto de

mantener la batería a plena carga y cuando no se consuma energía se

emplea en compensar la auto descarga de las baterías.

Indicadores de estado:

♦ Desconexión del consumo por baja tensión de baterías

♦ Alarmas de señalización

Desconexión de la corriente de carga, por baja tensión de batería:

La desconexión de la salida de consumo por baja tensión de batería indica

una situación de descarga del acumulador próxima al 70% de su capacidad

nominal. Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de

tensión de maniobra de desconexión de consumo durante más de un

tiempo establecido, se desconecta el consumo. Esto es para evitar que una

sobrecarga puntual de corta duración desactive el consumo.

Tensión de desconexión del consumo: tensión de la batería a partir de la

cual se desconectan las cargas de consumo.

Alarma por baja tensión de batería:

La alarma por baja tensión de batería indica una situación de descarga

considerable. A partir de este nivel de descarga las condiciones del

acumulador comienzan a ser comprometidas desde el punto de vista de la

descarga y del mantenimiento de la tensión de salida frente a intensidades

elevadas. Esta alarma está en función del valor de la tensión de

desconexión de consumo (siempre se encontrará 0,05 volt/elemento. por

encima).

En el regulador DSD, si la tensión de la batería disminuye por debajo del

valor de la alarma durante más de 10segundos aprox. se desconecta el

consumo. El regulador entra entonces en la fase de igualación y el

consumo no se restaurará hasta que la batería no alcance media carga.

Además, incluye una señal acústica para señalizar la batería baja.

144

Protecciones típicas: ♦ Contra sobrecarga temporizada en consumo

♦ Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo.

♦ Contra desconexión de batería.

Indicadores de estado y señalizadores habituales: ♦ Indicadores de tensión en batería.

♦ Indicadores de fase de carga.

♦ Indicadores de sobrecarga/ cortocircuito.

Parámetros a calcular, dimensionamiento: ♦ Tensión nominal: La del sistema (12, 24, 36, 48 V)

♦ Intensidad del regulador: La intensidad nominal de un regulador ha de ser

mayor que la recibida en total del campo de paneles fotovoltaicos.

Parámetros importantes que determinan su operación: ♦ Intensidad Máxima de Carga o de generación: Máxima intensidad de

corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de

admitir.

♦ Intensidad máxima de consumo: Máxima corriente que puede pasar del

sistema de regulación y control al consumo.

♦ Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se

interrumpe la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce

gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico (I

flotación). Vale aproximadamente 14.1 para una batería de plomo ácido de

tensión nominal 12V.

.

Generalidades de los reguladores de carga ♦ Regulador de carga: Dispositivo encargado de proteger a la batería frente

a sobrecargas y sobre descargas. El regulador podrá no incluir alguna de

145

estas funciones si existe otro componente del sistema encargado de

realizarlas.

.

♦ Voltaje de desconexión de las cargas de consumo: Voltaje de la batería

por debajo del cual se interrumpe el suministro de electricidad a las cargas

de consumo.

.

♦ Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se

interrumpe la conexión entre el generador fotovoltaico y la batería, o reduce

gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico.

Particularidades sobre los reguladores de carga

Las baterías se protegerán contra sobrecargas y sobre descargas. En

general, estas protecciones serán realizadas por el regulador de carga,

aunque dichas funciones podrán incorporarse en otros equipos siempre que

se asegure una protección equivalente.

Los reguladores de carga que utilicen la tensión del acumulador como

referencia para la regulación deberán cumplir los siguientes requisitos:

La tensión de desconexión de la carga de consumo del regulador deberá

elegirse para que la interrupción del suministro de electricidad a las cargas

se produzca cuando el acumulador haya alcanzado la profundidad máxima

de descarga permitida. La precisión en las tensiones de corte efectivas

respecto a los valores fijados en el regulador será del 1 %.

La tensión final de carga debe asegurar la correcta carga de la batería.

La tensión final de carga debe corregirse por temperatura a razón de –

4mV/°C a 5mV/°C por vaso, y estar en el intervalo de ± 1 % del valor

especificado.

Se permiten sobrecargas controladas del acumulador para evitar la

estratificación del electrolito o para realizar cargas de igualación.

Se puede permitir el uso de otros reguladores que utilicen diferentes

estrategias de regulación atendiendo a otros parámetros, como por ejemplo,

146

el estado de carga del acumulador. En cualquier caso, deberá asegurarse

una protección equivalente del acumulador contra sobrecargas y sobre

descargas.

Los reguladores de carga estarán protegidos frente a cortocircuitos en la

línea de consumo.

El regulador de carga se seleccionará para que sea capaz de resistir sin

daño una sobrecarga simultánea, a la temperatura ambiente máxima, de:

Corriente en la línea de generador un 25 % superior a la corriente de

cortocircuito del generador fotovoltaico. Corriente en la línea de consumo un

25 % superior a la corriente máxima de la carga de consumo.

El regulador de carga debería estar protegido contra la posibilidad de

desconexión accidental del acumulador, con el generador operando y con

cualquier carga. En estas condiciones, el regulador debería asegurar,

además de su propia protección, la de las cargas conectadas.

Las caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de

generador y acumulador serán inferiores al 4 % de la tensión nominal (0,5 V

para 12 V de tensión nominal), para sistemas de menos de 1 Kw., y del 2 %

de la tensión nominal para sistemas mayores de 1 kw, incluyendo los

terminales. Estos valores se especifican para las siguientes condiciones:

corriente nula en la línea de consumo y corriente en la línea generador-

acumulador igual a la corriente máxima especificada para el regulador. Si

las caídas de tensión son superiores, por ejemplo, si el regulador incorpora

un diodo de bloqueo, se justificará el motivo en la Memoria de Solicitud.

Las caídas internas de tensión del regulador entre sus terminales de batería

y consumo serán inferiores al 4 % de la tensión nominal (0,5 V para 12 V de

tensión nominal), para sistemas de menos de 1 kw, y del 2 % de la tensión

nominal para sistemas mayores de 1 kw, incluyendo los terminales. Estos

valores se especifican para las siguientes condiciones: corriente nula en la

línea de generador y corriente en la línea acumulador-consumo igual a la

corriente máxima especificada para el regulador.

147

Las pérdidas de energía diarias causadas por el autoconsumo del regulador

en condiciones normales de operación deben ser inferiores al 3 % del

consumo diario de energía.

Las tensiones de reconexión de sobrecarga y sobre descarga serán

distintas de las de desconexión, o bien estarán temporizadas, para evitar

oscilaciones desconexión -reconexión.

El regulador de carga deberá estar etiquetado con al menos la siguiente

información: Tensión nominal (V), Corriente máxima (A), Fabricante

(nombre o logotipo) y número de serie, Polaridad de terminales y

conexiones.

DESCRIPCION DEL BANCO DE BATERIAS La función prioritaria de las baterías en un sistema de generación

fotovoltaico es la de acumular la energía que se produce durante las horas de

luminosidad para poder ser utilizada en la noche o durante periodos prolongados

de mal tiempo.

Otra importante función de las baterías es la de proveer una intensidad de

corriente superior a la que el dispositivo fotovoltaico puede entregar. Tal es el caso

de un motor, que en el momento del arranque puede demandar una corriente de 4

a 6 veces su corriente nominal durante unos pocos segundos.

INTERACCION ENTRE MODULOS FOTOVOLTAICOS Y BATERIAS Normalmente el banco de baterías y los módulos fotovoltaicos trabajan

conjuntamente para alimentar las cargas. La siguiente figura muestra cómo se

distribuye la entrega de energía a la carga a lo largo del día. Durante la noche toda

la energía demandada por la carga la provee el banco de baterías. En horas

tempranas de la mañana los módulos comienzan a generar, pero si la corriente

que entregan es menor que la que la carga exige, la batería deberá contribuir en el

aporte. A partir de una determinada hora de la mañana la energía generada por

los módulos fotovoltaicos superada la energía promedio demandada. Los módulos

no solo atenderán la demanda sino que además, todo exceso se almacenará en la

148

batería que empezará a cargarse y a recuperarse de su descarga de la noche

anterior. Finalmente durante la tarde, la corriente generada decrece y cualquier

diferencia con la demanda la entrega a la batería. En la noche, la generación es

nula y todo el consumo lo afronta la batería.

Tipos de Baterías: ♦ Baterías de plomo - ácido de electrolito líquido: Se aplican ampliamente

en los sistemas de generación fotovoltaicos.

Dentro de la categoría plomo - ácido, las de plomo - antimonio, plomo -

selenio y plomo - calcio son las más comunes.

La unidad de construcción básica de una batería es la celda de 2 Volts.

Dentro de la celda, la tensión real de la batería depende de su estado de

carga, si está cargando, descargando o en circuito abierto.

En general, la tensión de una celda varía entre 1,75 Volts y 2,5 Volts,

siendo el promedio alrededor de 2 Volts, tensión que se suele llamar

nominal de la celda.

Cuando las celdas de 2 Volts se conectan en serie (POSITIVO A

NEGATIVO) las tensiones de las celdas se suman, obteniéndose de esta

manera, baterías de 4, 6,12 Volts, etc.

Si las baterías están conectadas en paralelo (POSITIVO A POSITIVO Y

NEGATIVO A NEGATIVO) las tensiones no cambian, pero se sumarán sus

capacidades de corriente. Solo se deben conectar en paralelo baterías de

igual tensión y capacidad.

Se puede hacer una clasificación de las baterías en base a su capacidad de

almacenamiento de energía (medido en Ah a la tensión nominal) y a su

ciclo de vida (numero de veces en que la batería puede ser descargada y

cargada a fondo antes de que se agote su vida útil).

La capacidad de almacenaje de energía de una batería depende de la

velocidad de descarga. La capacidad nominal que la caracteriza

149

corresponde a un tiempo de descarga de 10 horas. Cuanto mayor es el

tiempo de descarga, mayor es la cantidad de energía que la batería

entrega. Un tiempo de descarga típico en sistemas fotovoltaicos es 100 hr.

Por ejemplo, una batería que posee una capacidad de 80 Ah en 10 hr

(capacidad nominal) tendrá 100 Ah de capacidad en 100 hr.

Dentro de las baterías de plomo - ácido, las denominadas estacionarias de

bajo contenido de antimonio son una buena opción en sistemas

fotovoltaicos. Ellas poseen unos 2500 ciclos de vida cuando la profundidad

de descarga es de un 20 % (es decir que la batería estará con un 80 % de

su carga) y unos 1200 ciclos cuando la profundidad de descarga es del 50

% (batería con 50 % de su carga).

Las baterías estacionarias poseen además, una baja auto-descarga (3 %

mensual aproximadamente contra un 20 % de una batería de plomo - ácido

convencional) y un reducido mantenimiento.

Dentro de estas características se encuadran también las baterías de

plomo-calcio y plomo- selenio, que poseen una baja resistencia interna,

valores despreciables de gasificación y una baja auto descarga.

♦ Baterías selladas: Gelificadas: Estas baterías incorporan un electrolito del tipo gel con

consistencia que puede variar desde un estado muy denso al de

consistencia similar a una jalea. No se derraman, pueden montarse

en casi cualquier posición y no admiten descargas profundas.

Electrolito absorbido: El electrolito se encuentra absorbido en una

fibra de vidrio microporoso o en un entramado de fibra polimérica. Al

igual que las anteriores no se derraman, admiten cualquier posición y

admiten descargas moderadas.

150

Tanto estas baterías como las Gelificadas no requieren

mantenimiento en forma de agregado de agua, no desarrollan gases

evitando el riesgo de explosión, pero ambas requieren descargas

poco profundas durante su vida de servicio.

Níquel Cadmio: Las principales características son:

1) El electrolito es alcalino

2) Admiten descargas profundas de hasta el 90% de la capacidad

nominal

3) Bajo coeficiente de auto descarga

4) Alto rendimiento ante variaciones extremas de temperatura

5) La tensión nominal por elemento es de 1,2 Volts

6) Alto rendimiento de absorción de carga (mayor al 80 %)

7) Muy alto costo comparado con las baterías ácidas

Al igual que las baterías de plomo - ácido, estas se pueden conseguir

en las dos versiones, Standard y selladas, utilizando la más

conveniente según la necesidad de mantenimiento admisible para la

aplicación prevista. Dado su alto costo, no se justifica su utilización

en aplicaciones rurales.

ESQUEMA DE CONTROL El esquema de control, está compuesto por el circuito de control

propiamente tal, el cual contiene distintos dispositivos electrónicos que interactúan

entre si logrando generar la función de control deseada, todo ello gobernado por

un microcontrolador con su respectivo código fuente, el que por políticas de la

empresa patrocinadora del estudio, se ha omitido en este trabajo. Sin embargo, se

detallan cada una de las etapas que describen la lógica del funcionamiento del

sistema propiamente tal.

Los principales dispositivos anexos al microcontrolador son el acelerómetro para

medir la inclinación del panel, un modulo GPS para conocer coordenadas y hora,

151

un reloj de tiempo real (RTC) para sincronizarlo con la hora proporcionada por el

GPS, y una memoria flash que contenga una tabla con información de la posición

del sol.

DESCRIPCION DEL ACELEROMETRO El acelerómetro es un sistema completo de medición de 3 ejes, en un solo

circuito integrado monolítico, posee un rango de medición de ±3g como mínimo.

Contiene un sensor de polisilicio ensamblado en una superficie micro porosa y

circuitos de acondicionamiento de señal.

Las señales de salida son voltajes analógicos proporcionales a la aceleración. El

acelerómetro puede medir la aceleración estática de la gravedad, para las

aplicaciones de detección de inclinación, así como la aceleración dinámica

resultante del movimiento, choque, o vibraciones.

El sensor se encuentra montado en una superficie de silicio. El poli silicio

suspende el sensor, sobre la superficie de silicio, para brindarle resistencia contra

las fuerzas de aceleración. La medición se realiza por la deformación de la

estructura, utilizando un condensador diferencial que consiste en un arreglo de

placas fijas independientes y placas adjuntas a la masa en movimiento. Las placas

están fijas por 180° fuera de la fase de ondas cuadradas, la aceleración desvía el

movimiento de la masa y desequilibra al condensador diferencial, como resultado

se obtiene un sensor con una salida, cuya amplitud es proporcional a la

aceleración. Luego pasa a una fase sensible de demodulación, esta técnica sirve

para determinar la magnitud y la dirección de la aceleración. La salida del

demodulador se amplifica y se muestra fuera del chip a través de un resistor de 32

kΩ. El usuario selecciona el ancho de banda de señal del dispositivo mediante la

adición de un condensador. Esto mejora la resolución de medida de filtrado y

ayuda a evitar el ruido.

152

Su utilización en el seguidor solar, será para conocer la posición en grados, del

panel solar fotovoltaico.

Figura 6.4.4 Figura 7.4.4 Diagrama de bloques del acelerómetro .

Fuente: Datasheet ADXL330

DESCRIPCION DEL RELOJ DE TIEMPO REAL (RTC) El RTC (Real Time Clock) o Reloj en Tiempo Real, es un integrado de muy

de 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 selección de poder que

detecta fallas de energía y cambia automáticamente a la batería de respaldo.

El RTC funciona como un dispositivo esclavo del bus serial. El acceso se

obtiene mediante la aplicación de una condición de partida e ingresando un código

de identificación del dispositivo seguido de la dirección del registro electrónico. Se

puede acceder secuencialmente hasta que una condición de parada se ejecuta.

Cuando VCC cae por debajo de 1,25 V del VBAT el dispositivo termina el acceso

en curso y reinicializa el contador. Durante este período las entradas del

dispositivo se deshabilitan, para evitar datos erróneos y entra en un modo de bajo

consumo, hasta que VCC sea mayor que VBAT + 0.2 V. Su utilización en el

153

seguidor solar, será para conocer la hora, y de esta manera poder calcular la

posición en la cual se encuentra el sol.

Figura 6.4.5 Figura 7.4.5 Diagrama de bloques del RTC .

Fuente: Datasheet DS1307

DESCRIPCION DE LA MEMORIA FLASH La memoria Flash, es un dispositivo de interfaz serial diseñado para una

amplia variedad de usos.

Su capacidad de 1 Megabyte, lo hace ideal para el almacenamiento de datos,

eliminando la necesidad de más dispositivos de almacenamiento de datos

EEPROM.

Permite que múltiples posiciones de memoria sean escritas o borradas en una

misma operación de programación mediante impulsos eléctricos, en comparación

a las primeras versiones que sólo permitían escribir o borrar una única celda cada

vez. Por ello, flash permite funcionar a velocidades muy superiores cuando los

sistemas emplean lectura y escritura en diferentes puntos de esta memoria al

mismo tiempo.

154

Figura 6.4.6 Figura 7.4.6 Diagrama de bloques de la memoria FLASH .

Fuente: Datasheet AT26DF081A

La memoria flash es de carácter no volátil, es decir, que la información

almacenada no se pierde en cuanto se desconecta de la energía eléctrica, una

característica muy valorada para la multitud de usos en los que se emplea este

tipo de memoria.

Su utilización en el seguidor solar, será para almacenar una tabla con datos que

permitan posicionar el panel correctamente con respecto al sol.

DESCRIPCION DEL GPS El modulo GPS, es de alta sensibilidad y ultra bajo consumo de energía lo

que lo hace mas rentable.

De tamaño compacto, utiliza tecnología plug and play, para un amplio espectro de

aplicaciones del sistema OEM.

Este producto se basa en la tecnología ANTARISTM4 y hará un seguimiento de

hasta 16 satélites a la vez, conectándose en un tiempo rápido con los primeros

satélites que encuentra.

155

Su capacidad de largo alcance cumple con los requisitos de sensibilidad y

precisión de navegación para automóviles, así como otras aplicaciones basadas

en localización, como el sistema de AVL. Navegador de mano, PDAs, relojes,

localizadores personales, de cobro de peaje, gestión de flotas, PC de bolsillo,

batería o cualquier sistema de navegación.

El modulo GPS utiliza la última tecnología de montaje superficial y alto nivel de

integración de circuitos para lograr un rendimiento superior y reducir al mínimo la

dimensión y el consumo de energía.

Esta capacidad combinada de hardware con la inteligencia del software, articulan

un arreglo que hace fácil para integrarse y utilizarse en todo tipo de aplicaciones

de navegación o productos. El módulo GPS, se comunica con la aplicación del

sistema a través de nivel TTL con el protocolo NMEA0183.

Figura 6.4.7 Figura 7.4.7 Diagrama de bloques del GPS .

Fuente: Datasheet MG-A1315

DESCRIPCION DEL MICROCONTROLADOR El microcontrolador ATmega 168, de ATMEL, es un CMOS de muy baja

potencia de consumo, de 8 BIT, basado en el microcontrolador AVR.

Posee arquitectura RISC, y es capaz de ejecutar las instrucciones en un solo ciclo

de reloj.

La velocidad de procesamiento es de 1MIPS por MHz, permitiendo con esto

reducir el consumo de energía, frente a la velocidad de procesamiento.

156

El núcleo AVR combina un amplio conjunto de instrucciones con 32 registros de

propósito general de trabajo. Todos los 32 registros están directamente

conectados a la unidad aritmética lógica (ALU), y permite el acceso a dos registros

independientes en una sola instrucción ejecutada en un ciclo de reloj.

La arquitectura del código es más eficiente mientras que la velocidad de

procesamiento es de hasta diez veces más rápida que los convencionales

microcontroladores CISC.

El ATmega48/88/168 proporciona las siguientes características: 4K/8K/16K bytes

de memoria en sistema programable con Flash. Además posee 23 líneas de

propósito general de Entrada y salida, 32 registros de propósito general de trabajo,

tres temporizadores y contadores flexibles, para comparar los modos de

generación de interrupciones internas y externas, una USART programable,

orientada a un byte de 2 cables de interfaz en serie, un puerto SPI serie, uno de 6-

canales ACC de 10 bits (8 canales en TQFP y paquetes FML), programable, con

temporizador de control interno, y cinco de software para seleccionar modos de

ahorro según la tensión de la fuente de alimentación.

En el modo de inactividad la CPU se detiene y al mismo tiempo se respalda en la

SRAM el estado de los temporizador / Contadores, USART, 2 cables de interfaz

en serie, puerto de la SPI, e interrupciones del sistema para que pueda seguir

funcionando. Cuando la fuente de poder baja la energía, el chip guarda el

contenido de los registros pero detiene el oscilador deshabilitando todas las

demás funciones del chip, hasta la próxima interrupción o restablecimiento de

hardware.

En el modo de ahorro de energía, el temporizador asíncrono sigue funcionando, lo

que permite al usuario mantener la base de tiempo, mientras que el resto del

dispositivo está durmiendo. El conversor ACC entra en modo de reducción de

ruido, deteniendo la CPU, y los módulos de E / S asíncrona exceptuando el

temporizador, de esta forma reduce al mínimo el ruido de conmutación del ACC

durante las conversiones.

157

En el modo de espera, el cristal oscilador sigue funcionando mientras que el resto

del dispositivo está durmiendo. Esto permite muy rápida puesta en marcha junto

con los bajos consumo de energía.

Este microcontrolador es fabricado por ATmel usando tecnología de alta densidad

de memoria no volátil.

Figura 6.4.8 Figura 7.4.8 Diagrama de bloques del Microcontrolador ATmega 168 .

Fuente: Datasheet Atmega 168

DESCRIPCION DEL DRIVER Para poder operar el motor CC se utilizó un driver, este es el medio por el

cual las señales de control de baja potencia, pueden comandar dispositivos de

mayor potencia, ambos se encuentran aislados eléctricamente para evitar ruido o

posibles daños al circuito de control.

158

Para este caso el driver utilizado fue un puente H, contenido en el circuito

integrado L293B. Dicho integrado es capaz de entregar hasta 1A de corriente por

canal. El integrado se opera con 2 fuentes CC independientes, una para las

señales de control y otra para las del actuador. Cada canal es controlado por una

señal lógica TTL, y posee un disipador de calor interno, diseñado para eliminar el

exceso de temperatura a través del circuito impreso PCB. Además está provisto

de alta inmunidad al ruido y protección por exceso de temperatura.

Las combinaciones lógicas pueden ser para que el motor gire en ambos lados o se

detenga, incluso, si la señal de control es modulada en ancho de pulso PWM, se

puede regular la velocidad del motor.

Posee un habilitador de chip, cuando se encuentra deshabilitado, todos sus

transistores dejan de operar, reduciendo a cero el consumo de energía.

Figura 6.4.9 Figura 7.4.9 Esquemático representativo del puente H L293B .

Fuente: Datasheet L293B

DESCRIPCION DEL REGULADOR DE VOLTAJE El regulador de voltaje LM 317 se encuentra disponible en encapsulados

tales como TO-220, TO-220FP, TO-3 y D2PAK. Es simple de configurar, y

básicamente se utilza como regulador de voltaje o limitador de corriente. En el

159

caso del seguidor solar, fue necesario implementarlo como limitador de corriente,

para proteger las bobinas del motor CC.

Se puede utilizar con disipador de calor, para aumentar su potencia de disipación.

Figura 6.4.10 Figura 7.4.10 Configuración del LM 317 como limitador de corriente .

Fuente: Datasheet LM317

DESCRIPCION DEL ACTUADOR Y ESTRUCTURA El motor de corriente continua de 12V con caja reductora está

especialmente indicado para el actuador, ya que proporciona 60 revoluciones por

minutos en vacío con un consumo promedio de 60 mA, lo que constituye un

consumo muy bajo de energía para el sistema. El eje del motor es de 6mm y se

acopla perfectamente con los diferentes casquillos y adaptadores para la

estructura metálica del actuador, su fuerza es de 4,6 Kg/cm.

Por otra parte se encuentra la estructura metálica de aluminio galvanizado,

condiciones lo que lo hacen liviano, firme y sobre todo inmune a la corrosión por

óxido. La estructura está diseñada para soportar paneles solares fotovoltaicos, y

puede adaptarse a distintos fabricantes y marcas. El peso se encuentra

equilibrado en 2 ejes movibles con rodamientos para reducir el roce. El actuador

sólo balancea la masa de un lado a otro, de manera tal que la energía empleada

por el actuador, para posicionar el panel es mínima. El equilibrio se mantiene

durante gran parte del recorrido, ya que el eje se encuentra en el centro de

gravedad.

160

El soporte de la estructura posee 3 orificios de ajuste estacional, con una

elevación de 80º para verano, 33º para invierno y 56º que corresponden al

promedio de las anteriores33 con respecto al plano terrestre.

Figura 6.4.11 Figura 7.4.11 Vista superior de la estructura .

Fuente: www.wattsun.com

Figura 6.4.12 Figura 7.4.12 Vista lateral de la estructura .


33 La elevación de 56º se considera como el promedio entre invierno y verano, y es la que corresponde a ambos equinoccios. Se puede utilizar esta elevación, para evitar tener que realizar ajustes de elevación por cada transición de estación.

161

Figura 6.4.13 Figura 7.4.13 Soporte de la estructura .


Figura 6.4.14 Figura 7.4.14 Actuador con caja para motor CC .


Vástago móvil

162

ANEXO Nº 5 MEDICIONES DEL PANEL FIJO Y MOVIL PARA ANALISIS

163

Datos obtenidos de 24 días de mediciones durante Dic.2009, Ene. Feb.2010 panel solar Fijo y Móvil.

Fecha [V] V²/Rwatt * hora P Fecha [V] V²/R

watt * hora P Fecha [V] V²/R

watt * hora P

20-12-09 8:50 12,1 63,8 5,31 F 20-12-09 13:00 12,7 69,7 5,81 F 21-12-09 10:20 12,7 70,7 5,89 F20-12-09 8:55 12,3 65,2 5,44 F 20-12-09 13:05 12,7 69,9 5,83 F 21-12-09 10:25 12,7 70,7 5,89 F20-12-09 9:00 12,4 66,6 5,55 F 20-12-09 13:10 12,7 70,2 5,85 F 21-12-09 10:30 12,8 70,9 5,91 F20-12-09 9:05 12,5 67,7 5,64 F 20-12-09 13:15 12,8 71,1 5,93 F 21-12-09 10:35 12,8 70,8 5,90 F20-12-09 9:10 12,6 68,6 5,72 F 20-12-09 13:20 12,7 69,6 5,80 F 21-12-09 10:40 12,8 70,7 5,89 F20-12-09 9:15 12,6 69,3 5,77 F 20-12-09 13:25 12,6 69,2 5,77 F 21-12-09 10:45 12,8 71,0 5,92 F20-12-09 9:20 12,7 69,9 5,83 F 20-12-09 13:30 12,5 68,5 5,70 F 21-12-09 10:50 12,7 70,3 5,86 F20-12-09 9:25 12,8 70,7 5,89 F 20-12-09 13:35 12,6 69,6 5,80 F 21-12-09 10:55 12,7 70,1 5,84 F20-12-09 9:30 12,8 71,1 5,93 F 20-12-09 13:40 12,7 70,1 5,84 F 21-12-09 11:00 12,7 69,7 5,81 F20-12-09 9:35 12,8 71,4 5,95 F 20-12-09 13:45 12,6 68,8 5,73 F 21-12-09 11:05 12,6 69,5 5,79 F20-12-09 9:40 12,8 71,7 5,97 F 20-12-09 13:50 12,6 68,8 5,74 F 21-12-09 11:10 12,7 69,6 5,80 F20-12-09 9:45 12,8 70,9 5,91 F 20-12-09 13:55 12,5 68,2 5,68 F 21-12-09 11:15 12,7 69,9 5,82 F20-12-09 9:50 12,8 70,7 5,89 F 20-12-09 14:00 12,6 68,8 5,73 F 21-12-09 11:20 12,8 70,8 5,90 F20-12-09 9:55 12,8 70,9 5,91 F 20-12-09 14:05 12,6 68,6 5,71 F 21-12-09 11:25 12,7 69,8 5,82 F

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165



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167



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168



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170



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171



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173



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7-1-10 14:40 12,8 71,2 5,94 M 3-2-10 10:40 13,0 73,6 6,13 M 3-2-10 14:50 12,8 71,4 5,95 M7-1-10 14:45 12,8 71,1 5,92 M 3-2-10 10:45 13,0 73,4 6,11 M 3-2-10 14:55 12,9 72,2 6,02 M7-1-10 14:50 12,8 71,0 5,92 M 3-2-10 10:50 12,9 72,8 6,07 M 3-2-10 15:00 12,9 71,9 5,99 M7-1-10 14:55 12,8 70,7 5,89 M 3-2-10 10:55 13,0 73,5 6,13 M 3-2-10 15:05 12,9 71,8 5,98 M7-1-10 15:00 12,8 71,5 5,96 M 3-2-10 11:00 13,0 73,0 6,08 M 3-2-10 15:10 13,0 73,3 6,10 M7-1-10 15:05 12,8 71,2 5,93 M 3-2-10 11:05 13,0 73,8 6,15 M 3-2-10 15:15 12,9 72,7 6,06 M7-1-10 15:10 12,9 72,8 6,07 M 3-2-10 11:10 13,0 73,6 6,14 M 3-2-10 15:20 12,9 71,9 5,99 M7-1-10 15:15 12,8 71,4 5,95 M 3-2-10 11:15 13,0 73,1 6,09 M 3-2-10 15:25 12,9 71,9 5,99 M7-1-10 15:20 12,9 72,1 6,00 M 3-2-10 11:20 13,0 72,9 6,08 M 3-2-10 15:30 12,9 71,9 5,99 M7-1-10 15:25 12,8 71,4 5,95 M 3-2-10 11:25 13,0 73,2 6,10 M 3-2-10 15:35 12,9 72,6 6,05 M7-1-10 15:30 12,9 72,1 6,01 M 3-2-10 11:30 13,0 73,0 6,08 M 3-2-10 15:40 12,9 72,1 6,00 M7-1-10 15:35 12,8 71,7 5,98 M 3-2-10 11:35 13,0 73,4 6,11 M 3-2-10 15:45 12,9 72,3 6,03 M7-1-10 15:40 12,9 71,9 5,99 M 3-2-10 11:40 13,0 72,9 6,08 M 3-2-10 15:50 12,9 72,2 6,01 M7-1-10 15:45 12,9 72,6 6,05 M 3-2-10 11:45 12,9 72,4 6,04 M 3-2-10 15:55 12,9 72,6 6,05 M7-1-10 15:50 12,9 72,1 6,01 M 3-2-10 11:50 12,9 72,5 6,04 M 3-2-10 16:00 12,9 72,1 6,00 M7-1-10 15:55 12,9 72,4 6,04 M 3-2-10 11:55 12,9 72,6 6,05 M 3-2-10 16:05 12,9 71,9 5,99 M7-1-10 16:00 12,9 72,7 6,06 M 3-2-10 12:00 12,9 72,5 6,04 M 3-2-10 16:10 12,8 71,2 5,93 M7-1-10 16:05 12,9 72,1 6,01 M 3-2-10 12:05 12,9 72,4 6,03 M 3-2-10 16:15 12,8 71,6 5,96 M7-1-10 16:10 12,9 71,9 5,99 M 3-2-10 12:10 12,9 72,4 6,04 M 3-2-10 16:20 12,9 72,1 6,00 M

3-2-10 8:05 12,6 68,6 5,72 M 3-2-10 12:15 12,9 72,3 6,03 M 3-2-10 16:25 12,9 72,1 6,01 M3-2-10 8:10 12,8 70,7 5,89 M 3-2-10 12:20 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 8:00 12,6 68,6 5,72 M3-2-10 8:15 12,9 71,9 5,99 M 3-2-10 12:25 13,0 73,2 6,10 M 4-2-10 8:05 12,8 71,6 5,95 M3-2-10 8:20 12,9 72,2 6,01 M 3-2-10 12:30 12,9 72,6 6,05 M 4-2-10 8:10 12,9 72,1 6,01 M3-2-10 8:25 12,9 72,6 6,05 M 3-2-10 12:35 12,9 72,2 6,01 M 4-2-10 8:15 12,9 72,6 6,05 M3-2-10 8:30 13,0 73,4 6,12 M 3-2-10 12:40 12,9 72,2 6,01 M 4-2-10 8:20 12,9 72,9 6,07 M3-2-10 8:35 13,1 74,2 6,18 M 3-2-10 12:45 12,8 71,2 5,94 M 4-2-10 8:25 13,0 73,1 6,09 M3-2-10 8:40 13,1 74,4 6,20 M 3-2-10 12:50 12,8 71,6 5,97 M 4-2-10 8:30 13,0 73,4 6,12 M3-2-10 8:45 13,1 74,8 6,24 M 3-2-10 12:55 12,8 71,5 5,96 M 4-2-10 8:35 13,0 73,4 6,12 M3-2-10 8:50 13,2 75,3 6,27 M 3-2-10 13:00 12,8 71,3 5,94 M 4-2-10 8:40 13,0 74,0 6,16 M3-2-10 8:55 13,2 75,2 6,27 M 3-2-10 13:05 12,9 72,9 6,07 M 4-2-10 8:45 13,0 73,9 6,16 M3-2-10 9:00 13,1 75,2 6,26 M 3-2-10 13:10 12,9 72,5 6,04 M 4-2-10 8:50 13,0 74,0 6,17 M3-2-10 9:05 13,1 74,7 6,22 M 3-2-10 13:15 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 8:55 13,1 75,0 6,25 M3-2-10 9:10 13,1 75,0 6,25 M 3-2-10 13:20 12,9 72,2 6,01 M 4-2-10 9:00 13,1 74,7 6,23 M3-2-10 9:15 13,2 75,6 6,30 M 3-2-10 13:25 12,9 72,1 6,00 M 4-2-10 9:05 13,1 74,7 6,23 M3-2-10 9:20 13,2 75,4 6,29 M 3-2-10 13:30 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 9:10 13,1 74,5 6,21 M3-2-10 9:25 13,1 75,0 6,25 M 3-2-10 13:35 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 9:15 13,2 75,7 6,31 M3-2-10 9:30 13,2 75,3 6,27 M 3-2-10 13:40 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 9:20 13,1 74,3 6,19 M3-2-10 9:35 13,1 74,8 6,24 M 3-2-10 13:45 12,9 72,6 6,05 M 4-2-10 9:25 13,1 74,3 6,19 M3-2-10 9:40 13,1 74,6 6,22 M 3-2-10 13:50 12,9 72,2 6,01 M 4-2-10 9:30 13,1 74,1 6,18 M3-2-10 9:45 13,1 75,1 6,26 M 3-2-10 13:55 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 9:35 13,1 74,1 6,17 M3-2-10 9:50 13,2 75,2 6,27 M 3-2-10 14:00 12,9 72,4 6,03 M 4-2-10 9:40 13,0 73,8 6,15 M3-2-10 9:55 13,2 75,3 6,27 M 3-2-10 14:05 12,8 71,7 5,98 M 4-2-10 9:45 13,0 74,0 6,17 M

3-2-10 10:00 13,2 75,4 6,28 M 3-2-10 14:10 12,8 71,7 5,98 M 4-2-10 9:50 13,0 73,3 6,11 M3-2-10 10:05 13,1 74,5 6,21 M 3-2-10 14:15 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 9:55 13,0 73,1 6,09 M3-2-10 10:10 13,1 75,1 6,26 M 3-2-10 14:20 12,9 72,1 6,00 M 4-2-10 10:00 13,0 73,3 6,11 M3-2-10 10:15 13,2 75,5 6,29 M 3-2-10 14:25 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 10:05 13,0 72,9 6,08 M3-2-10 10:20 13,1 74,8 6,24 M 3-2-10 14:30 12,8 71,7 5,98 M 4-2-10 10:10 13,0 72,9 6,08 M3-2-10 10:25 13,1 74,5 6,21 M 3-2-10 14:35 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 10:15 13,0 73,1 6,09 M3-2-10 10:30 13,0 73,6 6,14 M 3-2-10 14:40 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 10:20 12,9 72,7 6,06 M3-2-10 10:35 13,0 73,6 6,14 M 3-2-10 14:45 12,8 71,7 5,97 M 4-2-10 10:25 12,9 72,9 6,07 M

174


watt * hora P

4-2-10 10:30 13,0 73,6 6,13 M 4-2-10 13:25 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 10:35 13,0 73,8 6,15 M 4-2-10 13:30 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 10:40 13,0 73,3 6,11 M 4-2-10 13:35 12,7 70,5 5,87 M 4-2-10 10:45 13,0 73,0 6,08 M 4-2-10 13:40 12,8 71,1 5,93 M 4-2-10 10:50 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 13:45 12,7 70,3 5,86 M 4-2-10 10:55 12,9 72,0 6,00 M 4-2-10 13:50 12,8 71,1 5,92 M 4-2-10 11:00 12,9 72,1 6,01 M 4-2-10 13:55 12,7 70,5 5,87 M 4-2-10 11:05 12,9 72,6 6,05 M 4-2-10 14:00 12,7 69,9 5,83 M 4-2-10 11:10 12,9 72,2 6,02 M 4-2-10 14:05 12,9 72,0 6,00 M 4-2-10 11:15 12,8 71,6 5,96 M 4-2-10 14:10 12,8 70,9 5,91 M 4-2-10 11:20 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 14:15 12,5 67,7 5,64 M 4-2-10 11:25 12,9 72,5 6,04 M 4-2-10 14:20 13,1 74,5 6,21 M 4-2-10 11:30 12,9 72,5 6,04 M 4-2-10 14:25 13,0 73,4 6,12 M 4-2-10 11:35 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 14:30 12,8 71,7 5,98 M 4-2-10 11:40 12,9 72,0 6,00 M 4-2-10 14:35 12,3 66,3 5,52 M 4-2-10 11:45 12,7 70,5 5,87 M 4-2-10 14:40 12,9 72,9 6,07 M 4-2-10 11:50 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 14:45 12,4 67,0 5,58 M 4-2-10 11:55 12,8 71,5 5,96 M 4-2-10 14:55 13,0 73,3 6,11 M 4-2-10 12:00 12,8 71,1 5,93 M 4-2-10 15:00 12,9 72,9 6,07 M 4-2-10 12:05 12,9 72,2 6,01 M 4-2-10 15:05 13,1 74,8 6,23 M 4-2-10 12:10 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 15:10 13,0 73,1 6,09 M 4-2-10 12:15 12,9 72,1 6,01 M 4-2-10 15:15 13,0 73,9 6,16 M 4-2-10 12:20 12,9 72,1 6,00 M 4-2-10 15:20 12,9 72,3 6,03 M 4-2-10 12:25 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 15:25 13,0 74,0 6,16 M 4-2-10 12:30 12,8 71,2 5,94 M 4-2-10 15:30 12,8 70,9 5,91 M 4-2-10 12:35 12,8 71,3 5,94 M 4-2-10 15:40 12,9 72,0 6,00 M 4-2-10 12:40 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 15:45 12,7 69,6 5,80 M 4-2-10 12:45 12,8 71,6 5,97 M 4-2-10 15:50 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 12:50 12,7 70,2 5,85 M 4-2-10 15:55 12,9 72,4 6,03 M 4-2-10 12:55 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 16:00 13,0 72,9 6,08 M 4-2-10 13:00 12,9 71,9 5,99 M 4-2-10 16:05 12,9 72,6 6,05 M 4-2-10 13:05 12,9 72,1 6,00 M 4-2-10 16:10 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 13:10 12,8 71,4 5,95 M 4-2-10 16:15 12,9 72,7 6,06 M 4-2-10 13:15 12,8 71,0 5,92 M 4-2-10 16:20 13,0 72,9 6,08 M 4-2-10 13:20 12,8 71,2 5,93 M 4-2-10 16:25 12,8 71,0 5,92 M

175

ANEXO Nº 6 PROGRAMA DESARROLLADO EN VBA PARA REALIZAR

ANALISIS DE LOS DATOS OBTENIDOS

176

Sub Datos() Application.ScreenUpdating = False 'Limpiar Pantalla Range("A2:F10000").ClearContents 'Cargar datos y config area de trabajo Select Case Range("K1").Value Case 0 Arch1 = "Datos.xls" Workbooks.Open Filename:= _ "D:\Elek\Proyecto de título Alejandro Figueroa F\Muestras\Muestras Panel Fijo & Panel Movil\Datos\datos.xls" End Select Columns("A:D").Select Selection.Copy Windows("analisis.xls").Activate Range("A1").Select Selection.PasteSpecial Paste:=xlPasteValues, Operation:=xlNone, SkipBlanks _ :=False, Transpose:=False Application.CutCopyMode = False Selection.Sort Key1:=Range("A2"), Order1:=xlAscending, Header:=xlGuess, _ OrderCustom:=1, MatchCase:=False, Orientation:=xlTopToBottom, _ DataOption1:=xlSortTextAsNumbers Range("C2:G8000").Select Selection.NumberFormat = "0.00" Workbooks(Arch1).Close False 'NO graba los cambios que hubiera en el archivo 'Obtener potencia instantanea A = 2 While Range(Cells(a, 1), Cells(a, 1)) <> "" a = a + 1 Wend 'Voltaje obtenido según divisor de tensión Range("D2").Select ActiveCell.FormulaR1C1 = "=RC[-1]*R1C13" Range("D2").Select Selection.AutoFill Destination:=Range(Cells(2, 4), Cells(a, 4)), Type:=xlFillDefault 'Potencia instantanea en watt Range("E2").Select ActiveCell.FormulaR1C1 = "=RC[-1]^2/2.3" Range("E2").Select Selection.AutoFill Destination:=Range(Cells(2, 5), Cells(a, 5)), Type:=xlFillDefault 'watt/hora totales Range("F2").Select

177

ActiveCell.FormulaR1C1 = "=((R[1]C[-4]-RC[-4])/3600)*RC[-1]" Range("F2").Select Selection.AutoFill Destination:=Range(Cells(2, 6), Cells(a, 6)), Type:=xlFillDefault Application.ScreenUpdating = True End Sub Sub watt() ' Macro grabada el 22/12/2009 por Alejandro Figueroa Application.ScreenUpdating = False Dim a, b, c, d, e As Integer a = 2: b = 0: c = 3: d = 1: e = 2: i = 0 cw = 0 'Limpiar Pantalla Range("G2:I10000").ClearContents While Range(Cells(e, 1), Cells(e, 1)) <> "" e = e + 1 Wend For i = 2 To e + 1 Step 1 If Range(Cells(i, 4), Cells(i, 4)) >= Range("I1").Value Then Range(Cells(i, 7), Cells(i, 7)) = Range(Cells(i, 6), Cells(i, 6)) End If Next i 'watt/hora dia utiles For i = 1 To 26 Step 1 While Range(Cells(a, 7), Cells(a, 7)) = "" Range(Cells(a, 7), Cells(a, 7)).Select a = a + 1 If a > e Then End Wend aki: While Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)) > 0 Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)).Select cw = cw + Range(Cells(a, 7), Cells(a, 7)) a = a + 1 Wend While Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)) = 0 Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)).Select a = a + 1 b = b + 1 If a > e Then Call watt2: End Wend

178

If b > 100 Then Range(Cells(c, 8), Cells(c, 8)) = d Range(Cells(c, 9), Cells(c, 9)) = cw Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)).Select Range("O1") = cw b = 0 c = c + 1 d = d + 1 cw = 0 Else: a = a + 1: GoTo aki End If Next i Application.ScreenUpdating = True Call watt2 End Sub Sub watt2() Application.ScreenUpdating = False a = 7535 cw = 0 While Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)) <> "" Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)).Select cw = cw + Range(Cells(a, 7), Cells(a, 7)) a = a + 1 Wend c = 26 d = 24 Range(Cells(c, 8), Cells(c, 8)) = d Range(Cells(c, 9), Cells(c, 9)) = cw Range(Cells(a, 4), Cells(a, 4)).Select Range("I1").Select Application.ScreenUpdating = True End Sub

179

ANEXO Nº 7

COSTOS ESTIMADOS DEL PROTOTIPO

161

DETALLE DE LOS COSTOS DE COMPONENTES ELECTRONICOS IMPORTADOS PARA LA FABRICACION DEL PROTOTIPO

Código compra Componente electrónico

Cantidad requerida para

el prototipo

Valor dólares

Cantidad mínima que se puede

comprar en USA

Valor componentes utilizados en

prototipo

1N4148WTPMSCT-ND Diodo 3 0,44 USD 1 1,32 2N7002CT-ND Información restringida 9 0,26 USD 1 2,34 160-1167-1-ND Led 1 0,09 USD 1 0,09 160-1169-1-ND Led 1 0,08 USD 1 0,08 300-8739-1-ND Cristal 1 0,9 USD 1 0,9 311-6.04FRCT-ND Resistor 3 0,082 USD 10 0,0246 399-1082-1-ND Capacitor 1 0,022 USD 10 0,0022 399-1096-1-ND Capacitor 19 0,02 USD 10 0,038 445-3452-1-ND Capacitor 7 0,077 USD 10 0,0539 490-1410-1-ND Capacitor 2 0,048 USD 10 0,0096 490-1568-1-ND Capacitor 2 0,027 USD 10 0,0054 490-1828-1-ND Capacitor 2 0,424 USD 10 0,0848 495-2237-1-ND Capacitor 2 0,21 USD 1 0,42 495-2638-1-ND Inductor 1 0,73 USD 1 0,73 497-6841-1-ND IC 1 1,4 USD 1 1,4 507-1060-1-ND Fusible 1 1,17 USD 1 1,17 513-1526-1-ND Inductor 1 1,74 USD 1 1,74 541-3.9XCT-ND Resistor 1 0,399 USD 10 0,0399 541-10.0AACT-ND Resistor 1 0,289 USD 10 0,0289 565-2133-1-ND Capacitor 2 0,712 USD 5 0,2848 565-3139-1-ND Capacitor 1 2,09 USD 5 0,418 587-1263-1-ND Capacitor 2 0,099 USD 10 0,0198 587-1785-1-ND Capacitor 3 0,143 USD 10 0,0429 631-1005-1-ND Cristal 1 0,62 USD 1 0,62 A36237CT-ND Conector 1 1,23 USD 1 1,23 ATMEGA1281-16AU-ND IC 1 14,36 USD 1 14,36 DS1390U-33+-ND IC 1 3,42 USD 1 3,42 ED2616-ND Conector 1 1,4 USD 1 1,4 EG1847-ND Interruptor 2 0,92 USD 1 1,84 S1012E-36-ND Información restringida 1 1,25 USD 1 1,25 S2012E-36-ND Información restringida 1 2,28 USD 1 2,28 IRF7304PBFCT-ND Mosfet 2 1,17 USD 1 2,34 IRLZ24PBF-ND Información restringida 1 1,57 USD 1 1,57 LM317TFS-ND IC 1 0,48 USD 1 0,48 LM25575MH-ND IC 1 4,05 USD 1 4,05 MBRS360T3GOSCT-ND Diodo 4 0,47 USD 1 1,88 MCP3202-CI/SN-ND IC 1 3,04 USD 1 3,04 MMA7260QT-ND IC 1 5,39 USD 1 5,39 P295-ND Batería 2 2,38 USD 1 4,76 PCC101ACVCT-ND Capacitor 1 0,045 USD 10 0,0045 PCC331ACVCT-ND Capacitor 1 0,075 USD 10 0,0075 PCC1756CT-ND Capacitor 2 0,17 USD 1 0,34 PCC1767CT-ND Capacitor 1 0,08 USD 10 0,0077 PCC1777CT-ND Capacitor 1 0,081 USD 10 0,0081 PCC1784CT-ND Capacitor 2 0,042 USD 10 0,0084 PCC1792CT-ND Capacitor 1 0,097 USD 10 0,0097 PCC2147CT-ND Capacitor 1 0,19 USD 1 0,19 PCD1165CT-ND Inductor 1 0,35 USD 1 0,35

162

DETALLE DE LOS COSTOS DE COMPONENTES ELECTRONICOS IMPORTADOS PARA LA FABRICACION DEL PROTOTIPO

Código compra Componente electrónico

Cantidad requerida para

el prototipo Valor

dólares Cantidad mínima

que se puede comprar en USA

Valor componentes utilizados en

prototipo RB050L-40TE25CT-ND Diodo 1 0,93 USD 1 0,93 RHM1.00KHCT-ND Resistor 3 0,077 USD 10 0,0231 RHM1.20MHCT-ND Resistor 3 0,08 USD 10 0,0231

RHM5.90KHCT-ND Información restringida 1 0,08 USD 10 0,0077

RHM10.0KHCT-ND Resistor 9 0,077 USD 10 0,0693


RHM30.0KHCT-ND Resistor 3 0,077 USD 10 0,0231


RHM100KHCT-ND Resistor 9 0,077 USD 10 0,0693 RHM470HCT-ND Resistor 3 0,077 USD 10 0,0231

SSF-1513 Información restringida 1 14,5 USD 1 14,5

SMAJ4739A-TPCT-ND Diodo Zener 1 0,52 USD 1 0,52 Z2204-ND Rele 3 1,9 USD 1 5,7

TOTAL DEL VALOR FOB PARA COMPRA EN USA: 83,98 USD

163

DETALLE DEL COSTO DE COMPONENTES ELECTRONICOS IMPORTADOS

CONSIDERANDO IVA, IMPUESTO DE INTERNACION Y FLETE CALCULO CASILLA WAMTECH Polycase Descripción Valor o % Paquete 1 A - Valor FOB 83,98 B - Flete 12,10% 12,46 C - Seguro (FOB) 2% 1,68 D - Valor CIF (A+B+C) Suma 98,12 D - Valor CIF 98,12 E - Aduana (Advalorem) 6% 5,89 F - Subtotal (D+E) 104,01 G - IVA Subtotal 19% 19,76 E - Aduana (Advalorem) 6% 5,89 G - IVA Subtotal 19% 19,76 H - Almacenaje 0,1033 I - TOTAL (E+G+H) 25,75 Base Seguro Transporte A - Valor FOB 83,98 B - Flete 12,46 I - TOTAL (E+G+H) 25,75 J - Total Base Seguro 122,19 Factura SES I - TOTAL (E+H+G) 25,75 J- Fijo (3,33) por Guía 3,33 3,33 K - Base Seguro Transporte 1% 1,22 L - Monto Afecto (J+K)*19% 19% 0,86 M - Total SES (I+J+K) 31,17 TOTAL USD A PAGAR 115,15 USD

164

ESTIMACION DE COSTOS PROPORCIONALES INVOLUCRADOS EN EL I&D DEL PROTOTIPO

Item Costo directos e indirectos

Cantidad requerida Total

HH de Ingeniería 1,50 UF 27,00 40,50

Actuador del seguidor solar 6,65 UF 1,00 6,65

Combustible 1,00 UF 2,00 2,00 Flete o transporte dentro de Chile 1,67 UF 0,88 1,47

Energía eléctrica 2,81 UF 3,00 8,43

Utiles de escritorio 0,94 UF 3,00 2,82

Fabricación del PCB 0,38 UF 1,00 0,38

Arriendo de Oficina 11,71 UF 3,00 35,13 Montaje de componentes y armado del cto. 0,70 UF 1,00 0,70

Componentes electrónicos 115,15 USD 1,00 115,15

Caja plástica 10,00 USD 1,00 10,00 Computadores depreciados a la fecha 700,00 USD 4,00 2800,00 TOTAL UF: 98,08 TOTAL USD: 2925,15

165

ANEXO Nº 8

DESARROLLOS FUTUROS E INVESTIGACION PARA LA ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA

166

LABORATORIO LEMF El LEMF es un laboratorio acreditado por la Entidad Nacional de Acreditación (ENAC) para

realización de los ensayos correspondientes a normativa internacional de cualificación del

diseño y la seguridad de módulos fotovoltaicos planos y de concentración (expediente de

acreditación ENAC Nº355/LE 996).

El LEMF además es miembro del esquema certificador de el IECEE y está reconocido como

Certification Body Testing Laboratory (CBTL) para módulos FV, con AENOR como entidad

certificadora preferente, pero también pudiendo trabajar con otros organismos de

certificación.

Figura 6.4.1 Figura 8.4.1 Laboratorio de Ensayos de Módulos Fotovoltaicos (LEMF) .

Fuente: www.cener.com (año 2010)

Acreditaciones en la actualidad El laboratorio tiene capacidad técnica acreditada (ENAC e IEC) para la aplicación de las

siguientes normas:

IEC 61215:2005 Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules –Design qualification

and type approval

IEC 61646:2008 Thin-film terrestrial photovoltaic modules- Design qualification and type

approval

IEC 61730:2004 Photovoltaic (PV) module safety qualification

IEC 62108:2007 Concentrator photovoltaic (CPV) modules and assemblies - Design

qualification and type approval

167



Otros servicios basados en norma El LEMF también tiene definidos unos Protocolos para el estudio, análisis y caracterización

de Módulos Fotovoltaicos. Entre ellos están:

- Evaluación inicial de módulos fotovoltaicos:

Caracterización básica mediante inspección, medida de potencia máxima y

estudio de aislamiento en seco y húmedo.

- Caracterización extendida de módulos fotovoltaicos: Que incluye las pruebas anteriores y estudios específicos de comportamiento a

distintas irradiancias y temperaturas, con medida de coeficientes de

temperatura de corriente, tensión y potencia.

Además realizan la comprobación estadística de la potencia de salida de una población de

módulos fotovoltaicos.

IEC 61701, ensayo de corrosión por niebla salina. Además de los ensayos de certificación completos, en el LEMF también se realizan las

pruebas correspondientes a fases de ensayo individuales y se definen pruebas “a medida”

para evaluación de prototipos o de modificaciones de proceso aplicadas en las etapas de

fabricación masiva de módulos.

Predicción de la evolución de los fallos identificados en módulos instalados: El LEMF ofrece

programas específicos de ensayos para predecir la evolución del funcionamiento de campos

168

fotovoltaicos con módulos afectados por defectos concretos. Para ello se definen unas

baterías de ensayos en función de las características particulares de los defectos bajo

estudio. En base a los resultados de estas pruebas es posible realizar una estimación de la

degradación futura que presentarán los módulos.



Aparte de estas actividades, LEMF participa en proyectos de investigación de ámbito

nacional e internacional y de una manera regular realiza medidas para intercomparación de

sus resultados con otros laboratorios prestigiosos del ámbito de la ESFV.



169





170

TECNOLOGIA FOTOVOLTAICA – BUEN TIEMPO Y SOLEADO El mercado solar de energía fotovoltaica – fuente de energía verde por excelencia – está en

pleno auge. La producción se ha duplicado cada dos años desde 2002, por lo que es el

sector energético que crece más rápidamente. Alentada por incentivos del Estado, la energía

solar es actualmente una industria floreciente, y la investigación abre nuevas posibilidades, y

favorece la reducción de los costos. Entre 2004 y 2008 se triplicó la cantidad de solicitudes

de patente relacionadas con energía solar presentadas en virtud del Tratado de Cooperación

en materia de Patentes (PCT), pasando de 460 a 1.411.

Figura 6.4.7 Figura 8.4.7 Vanguard I .

Fuente: NASA (año 1950)

El efecto fotovoltaico – fenómeno que permite la transformación de la energía luminosa en

energía eléctrica – fue descrito por primera vez en 1839 por el físico francés Edmond

Becquerel. Albert Einstein fue galardonado con el Premio Nobel por trabajos teóricos sobre

ese tema publicados en 1904. La investigación intensiva, estimulada por la carrera espacial

durante el período entre 1950 y 1969, indujo a muchas empresas a crear y comercializar

células (o celdas) solares o células fotovoltaicas a partir de 1955. El satélite Vanguard I,

primer satélite que hizo uso de energía solar en el espacio, fue puesto en órbita en 1958 y

estuvo operativo durante ocho años. Otros satélites siguieron. La energía solar continúa

utilizándose como fuente energética auxiliar en las naves espaciales para colocar en órbita

los satélites. Por lo que respecta a las aplicaciones terrestres, la tecnología fotovoltaica

demoró más en ser operativa. El rendimiento de las inversiones en el mercado de la energía

fotovoltaica no justificaba ese gasto. La energía eléctrica procedente de prácticamente

cualquier otra fuente como carbón, energía hidráulica y nuclear era, y aún es, mucho más

económica. Sin embargo, durante la última década, los problemas planteados por el cambio

climático han modificado nuestra manera de ver las cosas. Los problemas medioambientales

171

relacionados con el aumento del dióxido de carbono (CO2) dieron la alarma. Existe

actualmente una necesidad urgente de nuevas tecnologías no contaminantes así como un

renovado interés por viejas tecnologías que se habían dejado de lado cuando los costos y la

necesidad de producir en gran escala eran las consideraciones principales. Así fue como se

desempolvó de los archivos de la información sobre patentes la tecnología fotovoltaica, que

estaba prácticamente olvidada.

SOBRE EL SOL

• En una hora, el sol provee más energía de lo que requieren las

necesidades energéticas de la tierra durante un año.

• En un día, el sol provee más energía de la que puede consumir la

población del mundo en 27 años.

Fuente: BIPV Technology

MERCADO DE ENERGIA FOTOVOLTAICA En el informe “Global Photovoltaic Market Analysis and Forecasts to 2020” (Análisis y

previsiones del mercado mundial de energía solar fotovoltaica hasta 2020), establece, que la

capacidad fotovoltaica del mundo ha aumentado pasando de 1,3 gigavatios (GW) en 2001,

a 15,2 GW en 2008. Según un estudio conjunto de la EPIA y Greenpeace, si las inversiones

y el rendimiento continúan aumentando al ritmo actual, en 2030, los sistemas de energía

fotovoltaica producirán 2.600 teravatios/horas (TWh) de electricidad, lo que representa

aproximadamente el 14% de las necesidades de electricidad de la población mundial.

Figura 6.4.8 Figura 8.4.8 Arbol fotovoltaico en Gleisdorf, Alemania .

Fuente: Anna Regelsberger (año 2010)

172

Alemania, Japón y Estados Unidos parecen estar a la cabeza del mercado de instalaciones

de energía fotovoltaica, aunque las cifras varían según los informes. España, tras haber

completado la instalación de varias centrales de energía fotovoltaica, con una capacidad de

producción energética de 2.263 megavatios (MW) en 2008, reclamó en enero del presente

año el primer puesto en la clasificación. Sin embargo, las instalaciones individuales y las

centrales de energía fotovoltaica crecen como hongos, el ritmo al que evoluciona el

panorama fotovoltaico es tal que el primer puesto de la lista de países varía

constantemente. El aumento se debe principalmente a la aplicación de políticas de incentivos

financieros, como pueden ser los subsidios gubernamentales directos para sufragar una

parte de los costos de las instalaciones, o los incentivos tributarios para la integración de

energía renovable cuando las empresas locales de distribución de electricidad compran

electricidad fotovoltaica a productores privados.

El mercado fotovoltaico no está fuera del alcance de los países en desarrollo. La

investigación está abaratando los precios, y los países en desarrollo se benefician de esos

precios más bajos. La energía solar ofrece una solución excelente para las zonas alejadas

cuya conexión a la red eléctrica resulta demasiado cara o imposible (véase Barefoot

College: las abuelas se especializan en energía solar). A este respecto, se ha desarrollado

un importante mercado de baterías cargadas con energía solar.

LA ESCASEZ AMENAZA EL MERCADO Los módulos fotovoltaicos normales se componen de silicio monocristalino o de silicio

policristalino. Aproximadamente el 50% del precio de un módulo se debe al costo de las

obleas de silicio procesadas. La industria de paneles solares conoció un importante avance

cuando Emanuel Sachs del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) inventó, en 1980,

la técnica “String Ribbon” (procedimiento de crecimiento en continuo de una cinta cristalina)

(patente de los EE.UU. Nº 4661200). El procedimiento permitió la fabricación de delgadas

cintas de obleas pluricristalinas en continuo, eliminando los deshechos y los elevados costos

que acarreaba cortar los lingotes de silicio. La reducción de los costos de fabricación hizo

más viable la utilización de tecnología solar.

Ahora bien el silicio cristalino tiene muchas desventajas: su producción consume gran

cantidad de energía y hace que la industria fotovoltaica dependa del silicio, material caro y

escaso, obligando a los fabricantes de energía fotovoltaica a competir con la industria

microelectrónica. Existen sólo dos fábricas que producen silicio policristalino de calidad

173

fotovoltaica en el mundo, y ante el auge de los microprocesadores y de los mercados

fotovoltaicos, los precios del silicio se disparan. Es lo que ocurrió en 2004, cuando debido a

la mayor demanda de la industria electrónica, se registró un considerable aumento del precio

del silicio. Así pues, aunque continúan las investigaciones sobre el silicio, la amenaza que

puede plantear la escasez del material a la industria fotovoltaica ha estimulado la

investigación sobre materiales alternativos.

La física del estado sólido ha demostrado que el silicio no es el material ideal para la

transformación de la luz solar en electricidad. En las aplicaciones para el espacio

ultraterrestre, que utilizan la tecnología más avanzada y más depurada, se dispone de silicio

de alto rendimiento cuya eficacia ronda el 30%. Sin embargo, el promedio de rendimiento de

la mayoría de los módulos fotovoltaicos en el mercado oscila entre el 12 y el 18%. La mejora

del rendimiento es una de las mayores prioridades de la industria.

DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

• Una de las desventajas de la energía fotovoltaica es el hecho de

que la central energética tiene que ocupar grandes extensiones de

tierra. La instalación solar de 550 MW prevista en California

abarcará una superficie de aproximadamente 25 km2. No todos los

países pueden disponer de esas extensiones de tierras estériles sin

utilizar para instalaciones de energía solar.

• Por otra parte, la instalación puede ser relativamente cara, y puede

llevar cierto tiempo – hasta 20 años – recuperar los costos.

• Aunque pueda parecer evidente, los paneles solares no producen

electricidad cuando los días están nublados o por la noche, por lo

que los usuarios tienen que optar entre permanecer conectados a

la electricidad de la red normal o instalar un sistema de

almacenamiento.

EN PERSPECTIVA MAYORES RENDIMIENTOS Los avances previos en eficiencia de conversión de la energía solar en eléctrica dependían

de la concentración de rayos solares, del mismo modo que un espejo amplificador concentra

la luz solar para encender fuego. El resultado fueron dispositivos pesados y rígidos con

lentes de hasta 30 centímetros de espesor. Utilizando una película delgada mediante una

tecnología innovadora, los investigadores están batiendo récord de rendimiento en la

174

fabricación de células solares cada vez menos voluminosas. Su objetivo es definir la

estructura ideal de la célula solar, teniendo en cuenta los objetivos de reducción de los

costos y del tamaño, y favoreciendo la producción en gran escala.

En 2007, tras 21 meses de trabajos en un proyecto destinado a crear una base tecnológica

para una nueva célula solar de silicio cristalino de alto rendimiento, un consorcio de

investigación bajo la dirección de la Universidad de Delaware alcanzó el récord del 42,8% de

eficiencia de conversión energética. La estructura singular de la célula solar integra el diseño

óptico con el de la célula solar, teniendo como resultado un dispositivo pequeño que puede

adaptarse fácilmente a una computadora portátil (para más información véase la solicitud de

patente WO2008/091290). El consorcio tiene como objetivo superar el 50% en 2010.

PROMETEDORAS TECNOLOGÍAS CON NUEVOS MATERIALES Además de los nuevos avances en la utilización del silicio para la fabricación de células

solares, cabe señalar los adelantos en el diseño que se han logrado mediante materiales que

no son silicio, incluidos otros tipos de semiconductores y componentes químicos orgánicos.

La utilización de materiales que no son silicio puede dar lugar a reducciones de los costos

debido a que el procedimiento de producción es más sencillo y menos caro, y a diferencia del

silicio, no existen problemas de competencia, sin embargo, es necesario seguir investigando

sobre la utilización de estos materiales de vanguardia para obtener y superar los

rendimientos de las células solares a base de silicio. Esa investigación está avanzando

rápidamente, como permiten comprobar los ejemplos siguientes.

El consorcio de investigación sobre la tecnología fotovoltaica de película delgada, en la que

participa la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) (Suiza), tiene como objetivo

aumentar el rendimiento de las células solares de película delgada que no son de silicio,

específicamente un tipo de células solares de película delgada con una capa de un material

semiconductor compuesto de cobre, indio, galio y selenio (CIGS), y las así llamadas células

solares con tinte fotosensible Al iniciarse el proyecto en 2006 se alcanzaron índices de

eficiencia de conversión energética de aproximadamente el 11% para las células solares de

película delgada CIGS. Utilizando la tecnología CIGS y la tecnología de la célula solar con

tinte fotosensible patentada por la EPFL, se ha logrado un rendimiento del 15% en las

pruebas de laboratorio. Sin embargo, el consorcio considera que es posible lograr mejores

resultados.

175

Figura 6.4.9 Figura 8.4.9 Tecnología solar de película delgada .

Fuente: www.treehugger.com (año 2010)

Al igual que las células solares de película delgada a base de silicio, las células CIGS utilizan

nanocapas del material semiconductor que puede aplicarse a un sustrato de bajo costo como

el vidrio, hojas metálicas flexibles u hojas de metal, o polímeros de alta

temperatura. Contrariamente a las tecnologías de células solares fotovoltaicas

convencionales, las células solares con tinte fotosensible separan la tarea de absorción de la

luz de la tarea de conducción de la electricidad. En las células solares con tinte fotosensible,

los electrones liberados por el tinte al contacto con la luz se difunden hasta las capas

delgadas de los materiales semiconductores que transportan la carga eléctrica. Las posibles

aplicaciones de esta tecnología incluyen pinturas compuestas de células solares con tinte

fotosensible, que pueden aplicarse directamente sobre hojas de acero. Un equipo de

investigación del Reino Unido está elaborando esta tecnología de pinturas que espera poner

en el mercado en 2011.

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables del Departamento de Energía de los

Estados Unidos (NREL) ha anunciado un nuevo récord en materia de células fotovoltaicas en

marzo de 2008, logrando el 19,9% de rendimiento con películas delgadas de CIGS. Esto

coloca la tecnología de las películas delgadas al mismo nivel que el silicio cristalino. El NREL

reivindica que es la calidad de los materiales aplicados en el procedimiento de fabricación la

que permite elevar la producción eléctrica. El Laboratorio considera que las células de CIGS

tienen un futuro promisorio ya que pueden ser utilizadas tanto en aplicaciones espaciales

como en el mercado de dispositivos electrónicos portátiles debido a su poco peso. También

son idóneas para usos arquitectónicos especiales, como los tejados y las ventanas solares

fotovoltaicos.

176

EVOLUCION DEL MERCADO FOTOVOLTAICO Varias nuevas tecnologías solares coexisten actualmente en el mercado de células solares

monocristalinas y policristalinas, incluida la película delgada que ya ha conquistado del 7

al 10% del mercado fotovoltaico. El Prometheus Institute for Sustainable Development prevé

que las aplicaciones de las células solares de película delgada que no son de silicio se harán

con el 40% del mercado en 2012.

Actualmente, la industria en los Estados Unidos está centrada principalmente en las diversas

tecnologías de película delgada, y en Europa y Asia en las células solares de silicio

monocristalino y policristalino. A medida que avanza la investigación, los rendimientos

aumentarán aún más y comenzará a comercializarse un número cada vez mayor de

alternativas con futuro que no utilizan silicio. Como se pone de manifiesto en un estudio de la

OMPI sobre tecnologías energéticas alternativas, la cantidad de solicitudes de patente

presentadas para invenciones de energía solar en las principales oficinas de propiedad

industrial se ha triplicado prácticamente durante los últimos 20 años.

La crisis financiera está frenando el mercado fotovoltaico, pero no será posible detenerlo. El

aumento de la cantidad de patentes registradas en virtud del PCT en el ámbito de la energía

solar – tanto para mejoramientos técnicos como para nuevas invenciones de avanzada – es

una prueba de los adelantos de la industria, de la que aquí sólo hemos podido vislumbrar el

potencial.

*Asociación Europea de la Industria Fotovoltaica

Sylvie Castonguay, Redacción de la Revista de la OMPI, División de Comunicaciones

Agradecimientos: Hattie Carwell, Museum of African American Technology (MAAT) Science

Village, ex funcionaria del Departamento de Energía de los Estados Unidos, y Alex Riechel,

Servicio de Información Mundial sobre Patentes de la OMPI

177

NUEVO LABORATORIO DE LA UPV La UPV ha abierto las puertas de su nuevo laboratorio especializado en energía solar fotovoltaica. El laboratorio, dependiente del Instituto de Tecnología Microelectrónica de la

UPV, se encuentra ubicado en El Parque Tecnológico de Bizkaia de Zamudio y ocupa unos

1.100 metros cuadrados. De esta superficie 700 metros cuadrados son de laboratorio y los

otros 400 están destinados a oficinas, despachos y salón de reuniones. La inversión total

realizada para la construcción de las instalaciones llega a los 2 millones de euros, dinero

proveniente de fondos privados así como de convocatorias de ayudas públicas.

Figura 6.4.10 Figura 8.4.10 Inauguración del Laboratorio UPV .

Fuente: Imagen por el correodigital.com | Maika Salguero (año 2010)

Este laboratorio va a centrar sus actividades en áreas específicas de la investigación en

energía solar fotovoltaica, entre estas actividades esta la pretensión de crear las tecnologías más avanzadas de células solares y transferirlas a la industria. Según la UPV lo logrado en el

laboratorio “jugará un papel relevante en el suministro energético mundial.”

El laboratorio cuenta con sofisticados equipos para la fabricación y desarrollo de células

solares, como microscopios, hornos, sistemas en alto vacío, de plasma y hasta un láser con

múltiples longitudes de onda. Actualmente son 25 las personas que forman el grupo de

investigación pero se espera pueda ampliarse hasta 40, contando especialmente con

estudiantes que realicen su tesis doctoral en estos laboratorios.

Fuente: EITB

178

TIERRA SANTA GRANJA SOLAR CON TECNOLOGIA PIONERA En un país donde las placas solares sobre los tejados son parte del escenario cotidiano

desde los años setenta, se ha inaugurado la primera granja solar que produce electricidad y

energía termal con una tecnología pionera.

Una compañía israelí ha desarrollado un dispositivo que se vale de espejos y lentes para

focalizar la intensidad de la luz del sol produciendo mucha más electricidad que las

tradicionales placas solares de silicio y a un precio menor.

En la actualidad más de un millón de hogares en Israel, donde viven 7,4 millones de

personas, cuentan con paneles solares para calentar el agua, práctica que se generalizó

después de la guerra árabe-israelí de 1973 cuando se dispararon los precios del petróleo.

A partir de los noventa los edificios residenciales de nueva creación debían instalar por ley

placas fotovoltaicas, una tecnología relativamente sencilla.

Sin embargo, y pese al fulgurante desarrollo de las tecnologías punteras en campos como el

software, la medicina o la nanotecnología, el sector de las energías renovables, como la

solar, no había experimentado un avance significativo hasta ahora.

"El futuro en Israel es la energía solar, igual que lo fue en los noventa el sector de la alta

tecnología", cree Roy Segev, director de la empresa startup Zenith Solar, con sede en la

localidad de Nes Ziona, próxima a Tel Aviv, y creadora del nuevo sistema.

La huerta solar inaugurada esta semana se encuentra en el Kibutz Yavne, en el centro del

país, y comprende un terreno relativamente pequeño donde dieciséis platos cóncavos de

espejos de diez metros cuadrados y a dos metros del suelo dan la bienvenida al visitante.

Estos paneles, que se asemejan a las antenas parabólicas, se mueven de forma inteligente

siguiendo la dirección del sol.

De aspecto futurista, en contraste con el entorno rural del kibutz, la explotación energética

cubrirá más de un cuarto de las necesidades de luz y consumo de agua caliente de las 250

familias que residen en la granja comunal.

Y es que generará anualmente 150 megavatios de electricidad y 300 megavatios de energía

termal, reemplazando el uso de 40.000 litros de combustible fósil al año.

A la inauguración acudió el presidente del Estado, Simón Peres, quien destacó que esta

energía es "democrática, tenemos mucho sol".

Zenit Solar se basa en lo que denomina "tecnología fotovoltaica concentrada" (CPV, por sus

siglas en inglés), desarrollada por un equipo de la Universidad Ben-Gurión (sur de Israel) y el

Instituto Fraunhofer de Alemania.

179

Consiste en un mecanismo a través del cual los espejos de los platos -compuestos por una

aleación de materiales- dirigen la radiación solar hacia un "generador" de 100 centímetros

cuadrados, una especie de brazo de metal que convierte la luz en electricidad.

Este prototipo también genera intenso calor, que es capturado a través de un sistema de

refrigeración con agua gracias al cual se obtienen aguas termales para uso residencial o

industrial.

Estos sistemas utilizan tecnología espacial, células fotovoltaicas por lo menos dos veces más

eficientes que los paneles estándar que pueden verse en países como España.

Los creadores del invento sólo hablan de ventajas: Una eficiencia del 75 por ciento (21 por

ciento de energía eléctrica y 49 por ciento termal), que requiere poco espacio y puede

actualizarse según mejoren las células solares, y el reducido coste de kilovatios/hora.

Así, afirman que un único dispositivo puede producir anualmente 5 megavatios, que lo

convierte en apto para uso residencial o público como hoteles, hospitales o teatros.

Destacan su gran rentabilidad por su alto rendimiento en comparación con las placas solares

comunes -que no superan el 10 por ciento- y el reducido coste de la tecnología que emplea:

Una unidad destinada a una vivienda costará en torno a 50.000 dólares.

Gracias a este dispositivo, la energía solar puede incluso llegar a competir en lugares de

buen clima con el petróleo o gas natural, sin ayuda de subsidios estatales, en definitiva, un

sistema idóneo de explotación de energías renovables no contaminantes.

Por esta razón, la empresa ve oportunidades de mercado en países con potencial en el

campo solar, como España, Estados Unidos, Italia, Grecia, la India, China y países

emergentes del Tercer Mundo.

Fuente: www.todoenergias.com

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ASOCIACIONES, INSTITUTOS Y FUNDACIONES DE INVESTIGACION DE ENERGIA SOLAR FOTOVOLTAICA www.ases.org American Solar Energy Society - dedicada al avance en las tecnologías de energía solar. www.azsolarcenter.com Arizona Solar Center - Información sobre tecnología solar. www.east.asu.edu/ptl Arizona State University (ASU) - Laboratorio que prueba de módulos solares. www.cansia.ca Canada's Solar Industry Association - Asociación de fabricantes solares en Canadá. www.pv.unsw.edu.au Cursos de formación.

www.censolar.es CENSOLAR es el centro internacional más importante de Europa en aprendizaje a distancia de las técnicas del aprovechamiento práctico de la energía solar.

www.ciemat.es Centro de Investigaciones Energéticas Medioambientales y Tecnológicas - del ministerio de energía español.

www.epsea.org Guías de diseño solar, destilación de agua, eficiencia de energía. www.sede.enea.it Italia.

www.enersol.org Organización sin ánimo de lucro que instala generadores fotovoltaicos en zonas rurales de países en vías de desarrollo.

europa.eu.int.com La legislación europea referente a la energía y requisitos para obtener subvenciones para energía solar.

www.eurosolar.org Organización de energía independiente www.fsec.ucf.edu USA www.ise.fhg.de Alemania. www.hawaii.gov/dbe... Página del gobierno de Hawai sobre la electricidad fotovoltaica en este estado.

www.iesd.dmu.ac.uk El Instituto de Energía Solar (IES) es un centro integrado en la Universidad Politécnica de Madrid, dedicado casi exclusivamente a la investigación fotovoltaica.

det.bi.ehu.es/~tim

Instituto de Tecnología Microelectrónica (TiM) -Instituto de Tecnología Microelectrónica. Universidad del País Vasco, Euskal Herriko Unibertsitatea Con la colaboración de la Diputación Foral de Álava y GAIA Principales líneas de investigación: células solares y diodos rectificadores (fabricación, modelado y optimización).

www.ies-def.upm.es Institute of energy and sustainable development - El Instituto de Energía Solar (IES) es un centro integrado en la Universidad Politécnica de Madrid, dedicado casi exclusivamente a la investigación fotovoltaica.

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www.solarcentury.co.uk Solar Century - Organización sin ánimo de lucro dedicada a la construcción de mercado para la energía solar.

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www.solarenergycentre.com Solar Energy Centre Denmark - Laboratorio oficial de Dinamarca para las pruebas de la energía solar.

www.seia.org Solar Energy Industries Association (SEIA) Asociación de USA para fomentar el desarrollo de energía fotovoltaica.

www.solarenergy.org Solar Energy International Asociación dedicada a la educación. www.solarenergysociety.ca Canadá. www.txses.org Texas Solar Energy Society - Organización educativa.

www.thesolarline.com UK Solar Energy Society - Organización no lucrativa para el desarrollo y la aplicación de las energías solar y renovables en el Reino Unido.

sel.me.wisc.edu University Wisconsin-Madison Solar Energy Laboratory Laboratorio con múltiples proyectos y programas desarrollados por ellos.

www.sij.fh-aachen.de Solar Institut Juelich en alemán. www.ece.gatech.edu University Center of Excellence for Photovoltaics en Atlanta, (USA). seecl.mae.ufl.edu/solar University of Florida - Solar Energy and Energy Conversion Laboratory

www.eere.energy.gov U.S. Department of Energy Photovoltaics Program - Gran colección de información sobre energía fotovoltaica.

www.asif.org Asociación Española de la Industria Fotovoltaica. www.appa.es Asociación de Productores de Energías Renovables. www.idae.es Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía.

ANALISIS, DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN SEGUIDOR SOLAR PARA...

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