Sistemas de Seguimiento Solar

CONTENIDO

Introducción

Módulos Fotovoltaicos deConcentración

Resultados Experimentales

Tipos de CeldasFotovoltaicas

Conclusiones

Seguimiento Solar en Lazo Cerrado

Caso de Estudio: Seguidor solar de un eje

Sistemas de SeguimientoSolar

Energía Solar

Radiación electromagnética solar

Radiación solar en México

1. Introducción

Energía eléctrica

2. Tipos de Celdas Fotovoltaicas

CONVENCIONALES

ALTA CONCENTRACION

Celdas Fotovoltaicas Convencionales

Eficiencia comercial < 20%. Costo bajo.

Celda Fotovoltaica de Concentración (CFC)

Eficiencia comercial > 35%. Costo alto.

Celdas Fotovoltaicas de Concentración

Compuesto por: Celda fotovoltaica de concentración (CFC) Elemento óptico de concentración (Lente de Fresnel) Disipador.

3. Módulos Fotovoltaicos de Concentración(MFC)

Lente de Fresnel

CFC

Disipador

Módulo Fotovoltaico de Concentración (MFC)

Módulos Fotovoltaicos de Concentración (MFC)Características:

Su costo baja continuamente. No necesita un área grande de terreno para

su instalación. El calor generado en la celda puede

aprovecharse. Necesitan un sistema de

seguimiento.

Ángulo de aceptancia

• :Angulo máximo de incidencia de los rayossolares respecto a la normal de los lentes deFresnel

• La eficiencia del MFC es del 90% o mayor.• Su valor es del orden de minutos de arco.• : Angulo de Incidencia

Normal del lente

de Fresnel

α

θ

θ

Ángulo de aceptancia (ϴ)

90100

Efic

ienc

ia (%

)

-ϴ 0 ° +ϴ

Relación ángulo de aceptancia-eficiencia de un MFC

Mayor concentración solar implica:• Menor ángulo de aceptancia• Mayor precisión en el seguimiento

Grados

4. Sistemas de Seguimiento Solar

Módulos fotovoltaicos de alta de concentración

Error de seguimiento total en un sistema fotovoltaico de concentración 𝒆𝒆𝒔𝒔

Factores Descripción

Mecánicos • Precisión en la instalación y rigidez del sistema deconcentración.

Relacionados al Seguidor solar

• Sistema de control.• Precisión de los sensores solares.• Juego y fricción en los mecanismos de transmisión de

movimiento

( )mF

( )ssF

0.27s m sse F F θ< + + ° <<se θ

Para mantener una eficiencia en los MFC > 90% se requiere:

; es decir,

Donde 0.27° corresponde a la mitad del ángulo subtendido por el sol y los MFC.

Clasificación de los Sistemas de Seguimiento Solar

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02

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04

Control Características Topologías de control Sensores

Lazo abierto• Baja precisión.• Calibración

constante.

Algoritmo para determinar la posición del del Sol

Coordenadas solares.

Lazo cerrado

Un lazo

• Robustez ante perturbaciones.

• No necesita calibración.

• Alta precisión.

Todo-Nada con histéresis.PI y PID.Asignación de polos.Modos deslizantes.

Foto-sensoresCámaras de video

Doble lazo Control en cascada

Foto-sensoresCámaras de video

Sistemas híbridosCoordenadas SolaresControl Todo-Nada con histéresis.Control PI y PID.

Combinación de un sistema en lazo cerrado y uno basado en Coordenadas Solares

Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Abierto.

1dθ

2dθAlgoritmo

de Estimación

EfeméridesSolares

Localizacióndel seguidor

solar:Latitud,

Longitud

Presiónatmosférica, Temperatura

SeguidorSolar

Fecha,Tiempo

Universal

2 :Angulo de elevación (cenital)dθ

1 :Angulo azimutaldθ

Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Abierto.

Ventajas:• Bajo costo• Insensibilidad a condiciones ambientales.Desventajas:1. Necesitan recalibración si:

Existen movimientos del suelo.Si los módulos se desmontan paramantenimiento.Si el seguidor se relocaliza geográficamente.

2. Son sensibles a perturbaciones

Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Cerrado.

1dθ

2dθLey de Control

SeguidorSolar2 :Angulo de elevacióndθ

1 :Angulo azimutaldθSensor Solar

0+ −

,α β

REALIMENTACION

Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Cerrado.

Ventajas:• Insensibilidad a perturbaciones• No requieren calibración• No son sensibles a la localización geográfica.Desventajas:1. Mayor costo y complejidad.2. Sensibles a condiciones climáticas.

1dθ

2dθLey de Control

SeguidorSolar

2 :Angulo de elevacióndθ1 :Angulo azimutaldθ

Sensor Solar

0+ −

,α β

REALIMENTACION

Sistemas de Seguimiento Solar Híbridos.

Algoritmode Estimación

++

Sistemas de Seguimiento Solar Híbridos.

Ventajas:• Combinan las ventajas de los sistemas en lazo abierto

y en lazo cerrado• Compensan algunas de las desventajas de ambos.Desventajas:1. Mayor costo y complejidad.

5. Seguimiento Solar en Lazo Cerrado

1dθ

2dθLey de Control

SeguidorSolar2 :Angulo de elevacióndθ

1 :Angulo azimutaldθSensor Solar

0+ −

,α β

REALIMENTACION

Seguidor Solar.

2dθ

1dθ

CINVESTAV-IPN. Departamento de Control Automático

Seguidor Solar.

Motores Paso a Paso:• Pueden funcionar en• lazo abierto.

Motores de Corriente Directa:• Requieren de un sistema

de control en lazo cerrado.

Seguidor Solar.

Actuadores lineales

Motor de Corriente Directa

Seguidor Solar.Mecanismos de transmisión(slew drives):

2dθ

1dθ

Sensor Solar.

Fotodiodos

Fotoceldas

Sensores para módulos fotovoltaicos convencionales

Sensor Solar.

López, A. L., & Andreev, V. M. (2007). Concentrator Photovoltaics, Vol. 130 of Springer Series in Optical Sciences. PP 233

Sensores para módulos fotovoltaicos de concentración

Sensor Solar.

Sensor Solar.

• Cuadrante de fotodiodos (OPT101).• Salida de voltaje proporcional

a la intensidad de la luz incidente.

1 2a aV V< 1 2a aV V= 1 2a aV V>1 2s a aV V V= −

Ley de Control.

Ɵ

β

Rayos solares

Cilindro

*

* OPT101

Eje del motor

*

L

Ɵp

ƟL

Plataforma

Sensorsolar

Objetivo: Alinear el cilindro del sensor con los rayos solares

0L pβ θ θ= − =: Angulo del cilindro:Angulo de los rayos solares

L

p

θθ

Ley de Control.

Ley de Control

Control empleando un lazo de realimentación

Motores SeguidorSolar

SensorSolar

+

−

β

0β =

Ley de Control.

Ley de Control

1

Control empleando dos lazos de realimentación: Algoritmo en cascada

Motores SeguidorSolar

SensorSolar

+

−

β−

+

Sensoresde

Posición

Ley de Control

2

0β =

6. Caso de Estudio: Seguidor Solar de un Eje

Ɵ

β

Rayos solares

Cilindro

*

* OPT101

Eje del motor

*

L

Ɵp

ƟL

Plataforma

Sensorsolar

Motor de CD

Sensor Solar Plataforma

Ɵ

β

Rayos solares

Cilindro

*

* OPT101

Eje del motor

*

L

Ɵp

ƟL

Plataforma

Sensorsolar

Ángulo de la luz solar medidodesde el eje de rotación de laplataforma

Posición angular de la plataforma

Ángulo de incidencia de luz medidodesde el plano horizontal

Modelado del seguidor solar de un eje

p Lβ θ θ= −

β

pθ

Lθ

Modelo simplificado plataforma y motor

m mθ aθ bv d+ = +

( ) ( )41 68

76 88m(s) b .

V(s) s s a s s .Θ

= =+ +

Modelo simplificado plataforma y motor:Función de Transferencia

Sistema de seguimiento de luz a nivel laboratorio

Fuente de luz

β

SensorElectro-óptico

Guía rectilínea motorizada

1.2m

Eje del servomotor

Sensor

motor

FocoGuía motorizada

Guía rectilínea motorizada

Seguidor solar de un eje

Relación Ángulo-Voltaje del sensor solar

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

Respuesta lineal

( )( )

2 1

2 1

Y Ym

X X−

=−

Constante

Ángulo de la luz incidente.

Pendiente de la parte lineal de larespuesta del sensor diseñado

( )2 2 2P X ,Y=

( )1 1 1P X ,Y=

( )GradosβsK 1sK m=s sv K β=

Ángulo de desviación de los rayossolares en grados.

sv

β

m

Sensor Solar.Caracterización del sensor

Algoritmo de control en cascada

+-

Proceso IIControladorSecundario+-

ControladorPrimario

RefProceso I

Sensor II

Sensor I

Variableprincipal

Lazo Interno

Lazo externo

Variablesecundaria

Control en cascada propuesto

Lazo externo de seguimiento

solar

Seguidor solar

Ɵ Lazo interno de posición del motor

Motor

Error de seguimiento

solar

Caja de engranes

md

Ɵm

rd++

- -

βevK s

vsSensorsolar

Controladorprimario

Controladorsecundario

Lazo de control externo de seguimiento de luz

Ganancia IntegralliKGanancia ProporcionallpKReferenciadr

sv

Error de seguimiento de luzve

v d s se r v v= − = −

Radio de reducciónrÁngulo de desviación de losrayos solares en voltios.sv

K

K+

++-

+

-s Ɵ

Ɵ SW1

Ɵ

K vβr

mr

md

li

lp

l

ssev

Caja deengranes

Ɵpd

Sensor solar

Lazo interno

Seguidor solar

ƟmMotorCD

Controlador PI Posición del sol

rControladoren posición

NP-PI

Lazo de control interno de posición del motor

Ganancia Integral controlador PIviKGanancia Proporcional controlador PIvpKGanancia. Proporcional lazo NPppK

m md me θ θ= −Error de posición del motorme

Constante de saturaciónB

PerturbacionesdGanancia del amplificadorK

K B B1

K

K+

+

K+ -1s

e+-

τ+

dƟƟ + ωsmd m md

vi

vp

e m mpp

ω v MotorCD

Controlador NP

Velocidad del MotorControlador PIPosición del Motor

Señal de control del

lazo externo

Resumen del controlador en cascada propuesto

Lazo interno de posición del motor

Lazo externo de seguimiento solar

K B B1

K

K+

+

K+ -1s

e+-

τ+

dƟƟ + ωsmd m md

vi

vp

e m mpp

ω v MotorCD

Controlador NP

Velocidad del MotorControlador PIPosición del Motor

Señal de control del

lazo externo

K

K+

++-

+

-s Ɵ

Ɵ SW1

Ɵ

K vβr

mr

md

li

lp

l

ssev

Caja deengranes

Ɵpd

Sensor solar

Lazo interno

Seguidor solar

ƟmMotorCD

Controlador PI Posición del sol

rControladoren posición

NP-PI

Comparación entre el control en cascada propuesto y un control PI.

Controlador Proporcional Integral convencional

7. Resultados experimentales 1

K

K+

++-

+

-s Ɵ

Ɵ SW1

Ɵ

K vβr

mr

md

li

lp

l

ssev

Caja deengranes

Ɵpd

Sensor solar

Seguidor solar

ƟmMotorCD

Controlador PIPosición del sol

r

Fuente de luz

Guía rectilínea motorizada

Amplificadorde poderComputadora

Servomotor

Sensorsolar

Codificador Óptico

* MFC

Señal de control

Eje de la caja de engranes

Plataforma

*

*

Esquema del montaje experimental

Prueba de seguimiento de luz. Control PI

lpK

vpK

viK

ppK

liK

GananciaControl

PIControl en

cascada

0.266 0.069

1.216 1.2

- 1.5

- 8

- 100

Ganancias de los controladores usados en la

experimentación

Prueba de seguimiento. Control en cascada propuesto

lpK

vpK

viK

ppK

liK

GananciaControl

PIControl en

cascada

0.266 0.069

1.216 1.2

- 1.5

- 8

- 100

Ganancias de los controladores usados en la

experimentación

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Tiempo (s)

β (°)

Tiempo (s)

β (°)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

Error de seguimiento de luz: Control PI Error de seguimiento de luz producido:control en cascada propuesto

Índice de rendimiento Control PI Control en cascada

EAM (°) 0.134 0.014

Error de seguimiento de fuente de luz

ECMF. Control PI ECMF. Control en cascada propuesto

Tiempo (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

0

5

10

15

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500

5

10

15

Tiempo (s)

Índice de rendimiento Control PI Control en cascada

ECMF 14.47 1.41VTC 1.27 0.933

Error cuadrático medio filtrado y variación total de control

8. Resultados experimentales 2 Experimentos con un sensor solar filtrado.

Sensor solar sin filtro óptico infrarrojo Sensor solar con filtro óptico infrarrojo

Error de seguimiento de luz: Control PI sin filtro óptico en el sensor

Error de seguimiento de luz: Control PI con filtro óptico en el sensor

Experimentos con luz artificial

Experimentos con luz solar

Experimentos con cielo claro Experimentos con cielo medio nublado

Conclusiones

Gracias por su atención