Tesis Seguidor Solar

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERIA Y TECNOLOGIAS AVANZADAS

Trabajo Terminal II

“Prototipo de dispositivo orientador para el

aprovechamiento de la radiacion solar*”

Que para obtener el tıtulo de

“Ingeniero en Mecatronica”

Presentan:

C. Juan Manuel Carrillo Moreno

C. Daniel Gasca Garcıa

Asesores:

M. en I. Diego Alonso Flores Hernandez

Dr. en C. Alberto Luviano Juarez

Diciembre 2012

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERIA Y TECNOLOGIAS AVANZADAS

Trabajo Terminal II

“Prototipo de dispositivo orientador para el

aprovechamiento de la radiacion solar*”

Que para obtener el tıtulo de

“Ingeniero en Mecatronica”

Presentan:

C. Juan Manuel Carrillo Moreno C. Daniel Gasca Garcıa

Asesores:

M. en I. Diego Alonso Flores

Hernandez

Dr. en C. Alberto Luviano

Juarez

Presidente del Jurado

M. en C. Jesus Mares

Carreno

Profesor titular

M. en C. Armando Fabian

Lugo Penaloza

∗Este proyecto esproducto de la investigacion del proyecto

PICSO11− 23 del ICyTDF

Se agradece al Instituto de Ciencia y Tecnologıa del Distrito Federal por haber apoyado eldesarrollo de este trabajo terminal derivado del proyecto con registro PICSO11-23

denominado: Reciclado de residuos solidos de aleaciones de Aluminio medianteconcentradores solares

iii

A mis padres que han sido un gran apoyo en la consecucion de este logro.

A la memoria de mis abuelos.

A mis amigos de la vocacional, universidad y a quienes me han apoyado en mi vidaacademica, personal y cualquier otra cosa que se me escape.

Al IPN por haberme otorgado una educacion de alta calidad, ası como a todos lostrabajadores, profesores y demas personas que laboran en esta institucion.

Al ICyTDF, por creer en el talento de los estudiantes del IPN.

Ası mismo agradezco al pueblo de Mexico por darme una identidad como profesional, yaque, como es bien sabido, mi fin ultimo es poner la tecnica al servicio de la Patrıa.

Daniel Gasca Garcıa

v

Indice

1. Introduccion 1

1.1. Antecedentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.1. Desarrollo de un crematorio solar en India . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1.2. Horno solar de Odeillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.1.3. Solar Sinter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.2. Justificacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Objetivo general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.4. Objetivos especıficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.5. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.6. Estructura del documento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

I Panorama General 9

2. Marco teorico 11

2.1. Radiacion solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2. Concentradores solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.1. Espejo curvo para concentracion del luz solar . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2.2. Lentes de Fresnel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3. Posicion del Sol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

vii

INDICE

2.4. Metodologıa para el diseno de ejes de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.5. Sistema mecatronico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.6. Especificacion del diseno de producto (PDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.7. Analisis morfologico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.8. Tabla de decisiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.9. Seleccion de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.10. Seleccion de componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

II Desarrollo 25

3. Diseno 27

3.1. Analisis funcional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2. PDS del prototipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.3. Busqueda de la posicion solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.1. Metodo de lazo abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

3.3.2. Etapa en lazo cerrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

3.3.3. Desarrollo del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.3.4. Integracion sinergica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.3.5. Seleccion de materiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.4. Concentrador solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4.1. Seleccion del tipo de concentrador solar . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

3.4.2. Calculo de temperatura teorica usando una lente de Fresnel . . . . . . 34

3.4.3. Caracterısticas del lente de Fresnel a utilizar . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5. Dispositivo de enfoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5.1. Analisis de dispositivo de enfoque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.5.2. Diseno de transmision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3.6. Dispositivo de elevacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.6.1. Analisis de dispositivo de elevacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38


3.7. Dispositivo Azimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.7.1. Analisis de dispositivo Azimutal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

viii IPN Ing. Mecatronica

INDICE


3.8. Analisis de sistema de alimentacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.8.1. Seleccion del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.8.2. Seleccion de celdas solares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.8.3. Circuito de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.8.4. Seleccion de baterıa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.8.5. Seleccion de controlador de carga y regulador . . . . . . . . . . . . . . 55

III Validacion 59

4. Construccion del prototipo 61

4.1. Analisis de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2. Analisis de mecanizado de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.3. Plan de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4. Analisis mediante elemento finito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.5. Analisis mediante ANSYS 13.0® . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.6. Construccion fısica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

5. Pruebas 83

5.1. Pruebas de funcionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6. Analisis de costos 85

6.1. Costos de produccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Conclusiones 89

Glosario 91

IV Apendices 93

Apendice A: Seleccion del concepto 95

.1. Seleccion del concepto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Ing. Mecatronica UPIITA ix

INDICE

Apendice B: Seleccion de materiales 101

Apendice C: Planos 103

Apendice D: Codigo para AVR 105

Anexo A: Radiacion promedio anual 111

Bibliografıa 113

x IPN Ing. Mecatronica

Indice de figuras

1.1. Montaje experimental para la cremacion solar en Baroda, India. Posee dos ejes

de libertad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2. Horno solar de Odeillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3. Arreglo de espejos planos orientables (configuracion de espejos). . . . . . . . . 3

1.4. Receptor de calor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.5. Pieza sinterizada a partir de arena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.6. Dispositivo solar sinter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.7. Mecanismo del dispositivo Solar sinter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.1. La constante de radiacion eletromagnetica solar. . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.2. Esquema de un espejo concavo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3. Construccion de una lente de Fresnel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.4. Comparacion entre la lente convexa y la lente de Fresnel. . . . . . . . . . . . 14

2.5. Trayectoria del Sol de verano a invierno y viceversa. . . . . . . . . . . . . . . 15

2.6. Angulos de elevacion y azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.7. Elementos clave de un sistema mecatronico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.8. Mapa de propiedades de los materiales (ejemplo). . . . . . . . . . . . . . . . . 22

3.1. Diagrama funcional del dispositivo orientador solar. . . . . . . . . . . . . . . 27

3.2. Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito logico. 31

xi

INDICE DE FIGURAS

3.3. Ubicacion de las fotorresistencias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3.4. Algoritmo utilizado para buscar la posicion del Sol. . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.5. Mecanisomo de enfoque (CAD). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3.6. Mecanismo de husillo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.7. Lente de Fresnel sobre una estructura de elevacion controlable. . . . . . . . . 38

3.8. Curva caracterıstica del motor a pasos nema23. . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.9. Comportamiento deseado en el movimiento del motor. . . . . . . . . . . . . . 39

3.10. Eje del mecanismo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.11. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano horizontal

en eje del mecanismo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.12. Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano vertical

en el eje del mecanismo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.13. Distribucion de fuerzas y reacciones en el eje del mecanismo de elevacion del

dispositivo (plano horizontal). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.14. Curva caracterıstica del motor nema34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.15. Alimentacion del sistema. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.16. Sistema de alimentacion del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.17. Celda solar Eplus-90 W. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.18. Tarjeta para control de motores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.19. Bateria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.20. Controlador de carga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.21. Dispositivo orientador completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.22. Mecanismo azimutal del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.23. Mecanismo de elevacion del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.24. Base del dispositivo orientador. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.25. Dispositivo completo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

4.1. Plan de ensamble del marco de la lente de Fresnel. . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2. Eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.3. Deflexion del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.4. Primer modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . 69

xii IPN Ing. Mecatronica

INDICE DE FIGURAS

4.5. Segundo modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . 69

4.6. Tercer modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal. . . . . . . . . . . . 70

4.7. Deformacion del eje del dispotivo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.8. Deformacion del eje del dispotivo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.9. Primer modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion. . . . . . . . . . . 72

4.10. Segundo modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion. . . . . . . . . . 73

4.11. Tercer modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion. . . . . . . . . . . 73

4.12. Maquinado de ejes en el torno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.13. Operario en el torno. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.14. Eje con tornillo sin fin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.15. Eje con engrane y corona. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.16. Placa de union con la estructura de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.17. Izquieda: Vista superior; Centro: Vista frontal; Derecha: Ensamble del meca-

nismo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.18. Mecanismo de elevacion ensamblado. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.19. complemento del mecanismo de elevacion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.20. Eje del tornillo azimutal con chumaceras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.21. Eje del engrane azimutal con chumacera y placa de soporte. . . . . . . . . . . 78

4.22. Ensamble del mecanismo azimutal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.23. Tuerca y motor dentro del dispositivo de enfoque. . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.24. Tornillo sin fin y base para enfoque dentro del dispositivo de enfoque . . . . . 79

4.25. Ensamble del seguidor solar, vista lateral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.26. Ensamble del seguidor solar, vista frontal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.27. Ensamble del seguidor solar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.28. caja de circuitos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.29. Control de manejo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

5.1. Temperatura alcanzada en un periodo de 10 minutos sobre una barra de acero

304. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

5.2. Prueba de una lente de Fresnel sobre una lata de aluminio. . . . . . . . . . . 84

5.3. Dispositivo emplazado en su posicion final de pruebas. . . . . . . . . . . . . . 84

Ing. Mecatronica UPIITA xiii

INDICE DE FIGURAS

1. Grafica de Ashby: Modulo de elasticidad contra precio de ciertos materiales . 101

2. Grafica de Ashby: Modulo de elasticidad contra densidad de ciertos materiales 102

xiv IPN Ing. Mecatronica

Indice de cuadros

3.1. PDS del prototipo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

3.2. Fragmento de datos de posicion solar obtenidos del mes de marzo. . . . . . . 30

3.3. Factores de carga y choque. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.4. Caracterısticas de las celdas solares a utilizar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

6.1. Costo de componentes y materiales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2. Costo de energıa electrica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

6.3. Costo de mano de obra directa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.4. Costo de mano de obra indirecta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

5. Soluciones posibles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

6. Tabla de ponderaciones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7. Valores asignados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

8. Matriz binaria. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

9. disenos conceptuales ponderados. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

xv

CAPITULO 1

Introduccion

1.1. Antecedentes

1.1.1. Desarrollo de un crematorio solar en India

Este proyecto se desarrollo con el fin de cremar cuerpos con energıa solar mediante un

reflector Scheffler de 50 m2, sin embargo, este tenia un factor de concentracion de 100, el cual

no fue suficiente para una correcta cremacion, por lo que pasaron a experimentos con lentes

de Fresnel de diferentes tamanos, los cuales fueron lo suficientemente buenos inclusive para

fundir piedras, pero su tamano era muy pequeno[1].

Mas tarde se continuo con un reflector experimental de 3,4 m2 de apertura y una pequena

camara de cremacion. Esta configuracion tiene las mismas proporciones que el reflector Schef-

fler de 50 m2, pero reducido por un factor de tres. Todo esto para simplificar la construccion,

hacerla flexible y por lo tanto la camara junto con el reflector tenıan para ser montados en un

sistema de seguimiento de 2 ejes. La abertura de la camara era de 8 cm de diametro. Con una

superficie de apertura de la capsula de 3,4 m2 esto representa una relacion de concentracion

geometrica de 670. En la practica, alrededor de 1000 W se entran en la camara, calentandolo

1

Introduccion

hasta 700-800 °C. Esta fue tambien la temperatura mınima que podrıa iniciar la combustion

inmediata de cualquier tipo de carne que entro en la camara [1].

Figura 1.1: Montaje experimental para la cremacion solar en Baroda, India. Posee dos ejes

de libertad.

1.1.2. Horno solar de Odeillo

El horno de Odeillo, es el horno solar mas grande del mundo, esta localizado en la po-

blacion de Font-Rumeu-Odeillo-Vıa, localidad de Pirineos Orientales, region de Languedoc-

Rousillon cerca de Puigcerda, Espana y de Perpinan, Francia (ver figura 1.2).

Figura 1.2: Horno solar de Odeillo.

Construido en 1970, por su localizacion, este horno cuenta con 300 dıas de Sol al ano.

Esta ubicado a una altura de 1 535 metros sobre el nivel del mar. La potencia del horno es una

de las mas grandes del mundo con 1 MW, alcanza temperaturas de hasta 3 000 °C. Utiliza

63 espejos planos (ver figura 1.3) de 45 m2 dirigibles con 2 grados de libertad, los cuales se

2 IPN Ing. Mecatronica

1.1 Antecedentes

orientan segun la posicion del Sol, reflejando los rayos solares hacia el reflector parabolico de

1 830 m2 (ver figura 1.3) y este a su vez los refleja hacia una superficie que captura la energıa

termica en la torre receptora de calor (ver figura 1.4)[2].

Figura 1.3: Arreglo de espejos planos orientables (configuracion de espejos).

Figura 1.4: Receptor de calor.

Aunque este horno use otra tecnologıa para la generacion de energıa, en contraste con el

tipo de lente que se piensa utilizar; fue un buen testimonio de que la energıa solar es algo

que lleva al menos 40 anos en uso en paıses como Francia y por lo que se observo, sirve

como referencia para nuestro prototipo debido a que se pueden ver las posibles temperaturas

maximas a alcanzar; aunque este no es el unico dispositivo similar; a continuacion se describe

otro concentrador solar cuya relevancia para los objetivos ya planteados en este trabajo es

de gran ayuda.

Ing. Mecatronica UPIITA 3

Introduccion

1.1.3. Solar Sinter

Este es un cortador solar (vea http://www.markuskayser.com/work/solarsinter/), el cual

utiliza un sistema de vision artificial para orientar la energıa solar, y sinterizar arena para

realizar grabados emulando una impresora 3D. La realizacion de esta actividad esta prepon-

derantemente orientada hacia los desiertos, puesto que en ellos abunda la arena y la energıa

proveniente del Sol, las primeras pruebas fueron realizadas en el desierto de Marruecos obte-

niendo resultados interesantes como el siguiente ejemplo.

Figura 1.5: Pieza sinterizada a partir de arena.

El dispositivo Solar Sinter utiliza lentes de Fresnel (ver figura 1.6).

Figura 1.6: Dispositivo solar sinter.


1.1 Antecedentes

Como se puede ver, se usan celdas solares para la recoleccion de energıa suministrandole

a el mismo, ademas la ubicacion de estas sirve como contrapeso para buscar equilibrio[3].

En cuanto a los mecanismos, estos tienen la finalidad de mover al dispositivo en forma

azimutal y elevandolo, esto se puede apreciar mejor en la figura 1.7.

Figura 1.7: Mecanismo del dispositivo Solar sinter.

Algunas caracterısticas de este dispositivo son:

1. Utiliza un lente de Fresnel como concentrador solar.

2. El movimiento azimutal lo hace sobre un aro de acero y utilizando una rueda conducida.

3. Utiliza como sensor una camara CCD.

4. Las celdas solares van montadas sobre la estructura.

5. Utiliza un mecanismo tuerca / tornillo sin fin para mover el eje de elevacion.

6. Funde arena, ası que debe alcanzar entre 1300 °C y 1500 °C.

7. El dispositivo es desarmable.


Introduccion

1.2. Justificacion

La Mecatronica, que es una sinergıa entre las ingenierıas mecanica, ingenierıa electronica,

ingenierıa de control e ingenierıa informatica, inunda casi todos los aspectos de la sociedad.

Actualmente las maquinas, equipos, electrodomesticos y unidades informaticas son concebidos

desde una perspectiva mecatronica. Es decir, son sistemas que mezclan en su funcionamiento,

componentes mecanicos y electronicos. La sinergia entre dichas areas busca crear productos

inteligentes, con mejores cualidades respecto a los demas, capaces de procesar informacion

en forma paralela para mejorar el funcionamiento, la productividad y el desempeno. Dichos

sistemas o equipos dentro del marco energetico, implican un consumo de energıa, el cual de-

be ser cubierto; empatando esto con el Desarrollo Sustentable, se genera la necesidad de un

sistema que utilice energıa limpia y que ademas sea capaz de aportarla para otros procesos

(que en este caso es un contenedor).

Siendo ası, la energıa almacenada se utiliza para alimentar al dispositivo mismo y ademas,

enfocarla en un punto especıfico para su uso en otros procesos tales como la fundicion de

materiales, etc.


1.3 Objetivo general

1.3. Objetivo general

Disenar y manufacturar un prototipo de dispositivo orientador solar para el aprovecha-

miento de la radiacion solar. El objetivo es captar la energıa solar y concentrarla sobre un

punto para elevar la temperatura, y mantener el haz de luz enfocado en el punto a lo largo

del dıa.

1.4. Objetivos especıficos

1. Determinar el rango de temperatura en el area focal de diferentes concentradores solares

a traves de calculos teoricos.

2. Determinar la eficiencia energetica de los diversos concentradores solares y la tempera-

tura obtenida traves de calculos teoricos.

3. Determinar las dimensiones de la superficie que va a concentrar la radiacion solar.

4. Realizar los planos de diseno y manufactura del prototipo.

5. Manufacturar las diversas etapas, circuiterıa, mecanismos del prototipo.

6. Ensamblar el prototipo.

7. Realizar el software necesario para la unidad de control del prototipo.

8. Realizar la puesta a punto del prototipo.


Introduccion

1.5. Planteamiento del problema

Se quiere concentrar la energıa calorıfica del Sol en una superficie con la ayuda de un

mecanismo que sea capaz de orientarse y mejorar la captacion de energıa. Para lograrlo se

necesita orientar un concentrador solar de forma que su superficie de captacion siempre sea

perpendicular al Sol.

Un problema es encontrar la posicion del Sol, el cual tiene una traslacion aparente debido

al movimiento de rotacion terrestre. Ademas, este tiene una variacion en su trayectoria a lo

largo de las estaciones del ano, por lo que, el prototipo debe ser capaz de encontrar la posicion

del Sol en todo momento y orientar el concentrador solar.

1.6. Estructura del documento

El presente documento tiene una estructura compuesta por seis capıtulos, los cuales se

dividen de la siguiente forma:

Introduccion; aquı se presentan algunos proyectos que sirvieron como referencia, la

justificacion y los objetivos del prototipo.

Marco teorico; en este capıtulo se muestran los conceptos principales que conciernen al

desarrollo del prototipo.

Diseno; aquı se hace un analisis de cada uno de los dispositivos utilizados.

Construccion del prototipo; es en este, se muestra el analisis de manufactura, elemento

finito y los dispositivos por separado en forma fısica.

Pruebas; en este punto se realizan las pruebas del prototipo.

Analisis de costos; es una analisis de todos los costos correspondientes a la construccion

del dispositivo.


Parte I

Panorama General

9

CAPITULO 2

Marco teorico

2.1. Radiacion solar

La radiacion solar es el conjunto de radiaciones electromagneticas emitidas por el Sol debi-

das a la serie de reacciones que provocan la transformacion de masa en energıa. La radiacion

solar se distribuye del infrarrojo al ultravioleta. No toda la radiacion alcanza la superficie

terrestre, porque las ondas ultravioletas mas cortas, son absorbidas por la capa de ozono y

diversos gases de la atmosfera. La magnitud que mide la radiacion solar que llega a la Tierra

es la irradiancia. Su unidad son los Wm2 , donde W son Watts.

La constante solar es la cantidad de radiacion solar recibida por una superficie de 1 m2

colocada en la parte externa de la atmosfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos

del Sol (ver figura 2.1). Propiamente no es una constante, pero si un parametro que varıa

dentro de lımites estrechos, con un valor promedio de K=1366 Wm2 [4].

11

Marco teorico

Figura 2.1: La constante de radiacion eletromagnetica solar.

Por efectos de la rotacion de la Tierra, cuando la radiacion solar llega a la atmosfera,

se origina una desviacion que bajo ciertas condiciones produce el fenomeno de difraccion,

por lo que una parte de la radiacion llega a la superficie terrestre de forma difusa. La suma

de la radiacion directa y la radiacion difusa se denomina radiacion global y es inferior a la

constante solar[5].

La distribucion de la radiacion solar recibida por la superficie terrestre puede visualizarse

en el “Anexo A, Radiacion solar promedio (1990 - 2004)”. Para los propositos del presente

trabajo, se establece que de acuerdo a diversas referencias consultadas, Mexico recibe apro-

ximadamente 220 Wm2 [6],[7].

2.2. Concentradores solares

Un concentrador solar es un dispositivo disenado para captar la energıa irradiada por el

Sol y concentrarla en un area reducida aumentando su intensidad. Existen diversos tipos de

concentradores, siendo los mas utilizados las lentes de Fresnel y los espejos curvos. A conti-

nuacion se mencionara mas sobre estos dispositivos[8].

2.2.1. Espejo curvo para concentracion del luz solar

En la figura 2.2 se observa el esquema de un espejo curvo. Donde C es el eje focal, S es la

superficie reflectante, F el punto focal y f la distancia focal.


2.2 Concentradores solares

Figura 2.2: Esquema de un espejo concavo.

Caracterısticas:

1. Dependiendo de la forma del reflector, se requiere de uno a dos grados de libertad para

orientarse al Sol.

2. Si se utiliza un reflector compuesto por espejos planos, cada espejo se debe alinear en

forma parabolica.

3. Para alcanzar temperaturas entre 700 °C a 800 °C, se requiere un reflector de al menos

3.4 m2 [9].

4. Para construir y utilizar un reflector parabolico de dimensiones considerables (mayores a

1 m2), se requieren estructuras y mecanismos que, debido a la masa de los espejos planos

a manipular, deben ser grandes; volviendo al antecedente del horno solar de Odeillo, los

mecanismos de locomocion allı utilizados tienen un volumen de 8 m2 aproximadamente.

2.2.2. Lentes de Fresnel

En 1748, el conde Buffon (escritor y naturalista frances) propuso que las lentes podrıan

bajar de peso sin alterar su enfoque, aunque fue el frances Agustın-Jean Fresnel quien la

diseno. Propuso que si se quita la parte cafe del plano convexo (ver figura 2.3) se puede

reducir peso logrando una serie de lentes que funcionen como un todo.


Marco teorico

Figura 2.3: Construccion de una lente de Fresnel.

Caracterısticas de la lente de Fresnel:

1. Son vidrios o plasticos fabricados cuya mision es hacer que los rayos de luz que las

atraviesen se comporten como en una lente plano-convexa (ver figura 2.4).

2. Los rayos de luz que llegan paralelos a la superficie plana, se focalizan hacia un punto

especıfico.

3. Los rayos de luz que salen del foco atraviesan la lente y salen colimados.

4. Las lentes de Fresnel tienen en esencia las mismas propiedades que las lentes plano-

convexas pero disminuyen su peso y su volumen considerablemente.

5. Si los diametros de las lentes son grandes es conveniente usar una lente de Fresnel.

Figura 2.4: Comparacion entre la lente convexa y la lente de Fresnel.


2.3 Posicion del Sol

2.3. Posicion del Sol

El planeta Tierra tiene una desviacion de 23° de su eje de rotacion respecto al eje for-

mado de unir al Polo Norte y al Polo Sur de la esfera celeste, lo que implica que durante el

movimiento de traslacion, el Sol forme una curva parecida a una funcion senoidal en el cielo,

esto puede ser perfectamente ejemplificado con las estaciones del ano (ver figura 2.5).

Figura 2.5: Trayectoria del Sol de verano a invierno y viceversa.

Para que un concentrador solar trabaje adecuadamente, su superficie debe estar orientada

perpendicularmente respecto a las ondas electromagneticas provenientes del Sol y compensar

el movimiento de este a lo largo del dıa.


Marco teorico

Para medir la posicion de un astro, se utilizan dos angulos, los cuales se pueden apreciar

en la figura 2.6:

Figura 2.6: Angulos de elevacion y azimutal.

2.4. Metodologıa para el diseno de ejes de transmision

Para el movimiento del dispositivo, se debe utilizar una forma de transmitir la potencia

entre los componentes que tienen la funcion de mover a este; siendo ası, los ejes de trans-

mision cumplen con este proposito por lo que son la opcion que se va a utilizar. El diseno

de la transmision se realizo mediante el codigo ASME (Sociedad Americana de Ingenieros

Mecanicos por sus siglas en ingles) el cual consta de los siguientes pasos:

1. Obtener la potencia de entrada y salida del eje de trasmision.

2. Obtener las fuerzas en cada elemento.

3. Dividir al eje en planos para simplificar el analisis.

4. Obtener las reacciones en los elementos limitadores de movimiento.

5. Realizar los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector.

6. Calcular el momento flector maximo.

7. Calcular el diametro crıtico.

8. Realizar analisis de rigidez.


2.5 Sistema mecatronico

9. Calcular el diametro crıtico.

10. Tomar el diametro crıtico mayor de los 2 obtenidos.

11. Realizar el analisis modal.

Se recomienda consultar [10] para conocer mas sobre el diseno de ejes mediante el codigo

ASME.

2.5. Sistema mecatronico

Un sistema mecatronico es la integracion sinergica de una combinacion de diversas dis-

ciplinas como son la mecanica, la electronica, el control y la computacion, cuya finalidad es

ofrecer una solucion con resultados superiores a la implementacion de dichas disciplinas de

forma separada. Se compone del modelado de sistemas fısicos, el uso de sensores y actuadores,

la adquisicion de datos y el procesamiento de senales en sistemas logicos[11].

Para dar una vision general al respecto, la meactronica puede ser vista como se muestra

en la figura 2.7.


Marco teorico

Figura 2.7: Elementos clave de un sistema mecatronico.


2.6 Especificacion del diseno de producto (PDS)

2.6. Especificacion del diseno de producto (PDS)

La especificacion del diseno de producto (PDS por sus siglas en ingles) es una descripcion

a detalle de las necesidades y requerimientos1 con las que se planea disenar y/o producir. En

cualquier proyecto de diseno, la realizacion del PDS es un paso esencial[12].

Como un paso previo a la escritura del PDS, debe llevarse a cabo una buena investigacion

y recopilar informacion suficiente de lo que se planea disenar. Un primer borrador de un PDS

debe ser desarrollado antes de realizar cualquier intento de generar soluciones a un problema.

Esta es una disciplina importante ya que, tanto tiempo, esfuerzo y dinero se pueden perder

al proporcionar una solucion equivocada para el problema.

El proceso de diseno es iterativo, y el PDS debe ser considerado como un documento fle-

xible que durante el desarrollo del producto va cambiando hasta obtener las especificaciones

finales[13].

Cuando se estan definiendo las especificaciones que conformaran el producto, se deben

conocer los valores nominales para cada variable de afectacion que intervenga en la optimi-

zacion de la medida de la caracterıstica de calidad que se desee[14].

1 ”entiendase por necesidades, a aquellas cuya consecucion debe ser cubierta por el prototipo y/o producto,

en cuanto a los requerimientos, estos deben de igual forma ser cubiertos por el prototipo y/o producto, sin

embargo, la diferencia radica en que su consecucion debe ser dada bajo ciertas condiciones, por mencionar un

ejemplo, puede ser el rango de movimiento de un actuador.”


Marco teorico

El numero de especificaciones del producto que deban concretarse dependera de la natu-

raleza y objetivos del producto, ya que es imposible cuantificar los requisitos de un producto

todavıa inexistente que pretende cubrir una necesidad determinada [15]. Algunos elementos

que se toman en cuenta son:

1. Entorno de funcionamiento.

2. Seguridad.

3. Funcionamiento.

4. Materiales.

5. Ergonomıa.

6. Legalidad y Normalizacion.

7. Instalacion y mantenimiento.

8. Vida util.

9. Peso y tamano.

10. Transporte.

11. Fiabilidad.

12. Calidad.

13. Periodo previsto de lanzamiento al mercado.

14. Costo.

15. Embalaje.

2.7. Analisis morfologico

Es un metodo creado en 1969 por el astronomo y fısico suizo Fritz Zwicky. Su objetivo

es resolver problemas mediante el analisis de las partes que lo componen. Se basa en la

concepcion de que cualquier problema esta compuesto o integrado por un cierto numero de

elementos y en la consideracion de que estos tienen identidad propia y pueden ser aislados[12].


2.8 Tabla de decisiones

2.8. Tabla de decisiones

La tabla de decisiones ayuda a evaluar sistematicamente las opciones de solucion propues-

tas a un problema, esto se realiza comparandolas con una lista de criterios, con el objetivo

de adoptar la mejor opcion. Sin embargo, esta herramienta es un tanto subjetiva, depende

muchas veces de la opinion personal, experiencia y conocimiento del disenador[13].

Los elementos que contiene una tabla de decisiones son:

1. Ponderacion determinada de acuerdo a las necesidades del disenador.

2. Estados o caracterısticas que se pueden presentar.

3. Acciones que elige el disenador.

4. Resultados obtenidos de acuerdo a los estados y a los disenos conceptuales.

2.9. Seleccion de materiales

Se deben considerar el tipo de materiales que se requieren para una aplicacion determi-

nada. Existen diversos metodos para la seleccion de materiales, en general, estos metodos se

basan, en una serie de parametros fısicos, mecanicos, termicos y de fabricacion que determi-

nan la utilidad tecnica de un material[16].

Debido al alto numero de factores que afectan la seleccion de materiales el disenador de-

termina cuales son las propiedades mas relevantes para la aplicacion que se tiene y con base

en ellas, se hace la seleccion.

Normalmente la seleccion de material es dictada por el diseno, pero a veces funciona a la

inversa: el nuevo producto o la evolucion del ya existente fue sugerida o hecha posible por un

nuevo material.


Marco teorico

Es importante la seleccion del material en el diseno, para evitar fallas y costos innecesa-

rios. Por lo que la seleccion debe ser paralela al proceso de diseno. Los metodos mas utilizados

en la seleccion de materiales son:

Metodo tradicional: El ingeniero selecciona el material que cree que es el mas adecuado

con base en la experiencia de partes que tiene un funcionamiento similar y que han mostrado

buenos resultados.

Metodo grafico: Se basa en graficas, en las que se relacionan ciertas propiedades de los

materiales.

Figura 2.8: Mapa de propiedades de los materiales (ejemplo).

Metodo con ayuda de base de datos: Existe una amplia gama de base de datos sobre

materiales, que han sido construidas para comercializacion o son distribuidas por proveedores

de materiales. Se pueden encontrar las caracterısticas principales de los materiales, facilitando

su seleccion.


2.10 Seleccion de componentes

2.10. Seleccion de componentes

Es una etapa importante en el diseno, ya que se seleccionan los componentes constituyen-

tes del mismo, y se conocen las caracterısticas fısicas (forma, tamano, tipo de sujecion, etc.);

evitando cambios inesperados en el ensamblaje. Logrando con ello un sistema mas sencillo y

eficaz[13].

Para realizar una seleccion, se toma en cuenta lo siguiente:

1. Recopilar la informacion necesaria segun sea la aplicacion: involucra el proposito para

el que se necesita el componente: rendimiento, costo y operacion.

2. Definir y decidir cuales son los factores influyentes: rendimiento, tipo de aplicacion,

geometrıa, seguridad y comercializacion.

3. Establecer factores:Basicamente son los valores comerciales de algunos componentes,

como es bien sabido, si estos no lo son; los precios aumentan considerablemente.

4. Proveedores: Tabla comparativa en la cual se evaluan los puntos como: precio, tiempo

de entrega, eficiencia del componente, etc.

5. Seleccionar el componente que reuna las mejores caracterısticas: Diagrama de rutas,

considerando las caracterısticas que nos interesan de los componentes. Eligiendo (si/no)

de acuerdo a los lımites y caracterısticas de la aplicacion.

6. Consultoria: restricciones de instalacion, operaciones que influyan en el rendimiento del

componente. En ocasiones esta informacion se encuentra en los catalogos.


Parte II

Desarrollo

25

CAPITULO 3

Diseno

3.1. Analisis funcional

El analisis funcional de un proyecto, es una forma de dividirlo; de tal forma que pueda ser

analizado por separado buscando una forma de resolver ciertas tareas para despues unirlas

en una sola solucion. A continuacion se muestran en la figura 3.1 las areas funcionales que

se definieron para el diseno. Para definirlas, se seleccionaron las funciones mas basicas que

el dispositivo debe contener para cumplir con el objetivo de concentrar la radiacion solar en

una superficie a lo largo del dıa.

Figura 3.1: Diagrama funcional del dispositivo orientador solar.

27

Diseno

En las siguientes secciones se decidio llamar dispositivos a las areas funcionales encargadas

de orientar la superficie, esto debido a que estas giran entorno a un dispositivo tiene por

objetivo, ubicar la superficie segun les sea requerido; el nombre de estos dispositivos viene

dado por el grado de libertad que representan.

En las siguientes secciones se muestra el diseno de las diversas areas funcionales del dispositivo.

3.2. PDS del prototipo

Como ya se menciono, el PDS es una parte muy importante en el desarroyo de cualquier

proyecto, por lo que se a continuacion se muestra el correspondiente para este prototipo.

Caracterıstica Valor

Rango de enfoque 20 cm

Rango de elevacion 0 a 90°

Rango de orientacion 0 a 180°

Tension de trabajo de los motores 12 V

Tension de trabajo de los circuitos logicos 5 V

Velocidad de elevacion 1 rpm

Velocidad de orientacion 1 rpm

Interfaz de comunicacion USB

Protocolo de comunicacion RS232

Numero de grados de libertad 3

Error de posicion < 10°

Cuadro 3.1: PDS del prototipo.

Algo interesante a resumir del anterior PDS, es el hecho de que plantea la base para el

desarrollo del ulterior prototipo.


3.3 Busqueda de la posicion solar

3.3. Busqueda de la posicion solar

3.3.1. Metodo de lazo abierto

Para calcular la posicion teorica del Sol, se utilizo el trabajo realizado por Kok-Keong

Chong y Chee-Woon Wong en los artıculos [17] y [18]. Algunos de los puntos tratados en

estos artıculos son:

1. Comparacion entre los metodos de lazo abierto y lazo cerrado para ubicar al Sol.

2. La implementacion de un sistema de seguimiento solar de dos ejes de libertad.

3. La utilizacion de la posicion teorica del Sol para orientar al sistema.

4. El desarrollo de un metodo para compensar mediante software los errores de alineacion

de la estructura.

Debido a que el desarrollo de los temas tratados en [17] y [18] tiene alcances que quedan

fuera de los objetivos del proyecto, se recomienda al lector consultar dichos artıculos en caso

de querer profundizar.

Para calcular la posicion teorica del Sol, se requieren los siguientes datos:

1. Coordenadas de ubicacion geografica (Se definen al montar el dispositivo en sitio).

2. Hora y fecha local (Se configura al iniciar el sistema y se mantendra actualizada por el

sistema de control).

3. Los 3 angulos de correccion (Calculados utilizando el metodo descrito en [18]).

Es importante mencionar que para el calculo de la posicion, se requiere bastante procesa-

miento, sin embargo, por las pruebas que se realizaron al medir la posicion del Sol a lo

largo de su movimiento (ver tabla 3.1), puede observarse que cada 80 minutos, el Sol cambia

aproximadamente 16.5° de angulo de elevacion y 6.6° de angulo azimutal.


Diseno

Hora Angulo Azimutal (°) Diferencia del Angulo de (°) Diferencia del

angulo azimutal (°) elevacion angulo de elevacion (°)

6:10 93.8 0.8 -11.5 2.3

6:20 94.6 0.8 -9.2 2.4

6:30 95.4 0.8 -6.8 2.3

6:40 96.2 0.8 -4.5 2.4

6:50 97 0.8 -2.1 2.8

7:00 97.8 0.9 0.7 2.1

7:10 98.7 0.8 2.8 2.2

7:20 99.5 0.9 5 2.3

Cuadro 3.2: Fragmento de datos de posicion solar obtenidos del mes de marzo.

3.3.2. Etapa en lazo cerrado

Para la etapa en lazo cerrado, se utiliza un circuito comparador de tension implementado

por software, el cual toma la lectura analogica de las fotorresistencias (LDR por sus siglas en

ingles) (ver figura 3.2) y la convierte en un valor digital. Posteriormente (ver figura 3.3), se

compara el valor de LDR1 y LDR4 contra el valor de LDR2 y LDR3, orientando la elevacion

del dispositivo hasta que todas las LDR tengan un valor de tension menor a 0.5 V (este valor

se encontro experimentalmente). Finalmente se hace el mismo procedimiento, comparando el

valor de LDR1 y LDR2 contra LDR3 y LDR4 para orientar el azimutal del dispositivo hasta

obtener un valor de error por debajo de la tolerancia de error.


3.3 Busqueda de la posicion solar

Figura 3.2: Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito logico.

Figura 3.3: Ubicacion de las fotorresistencias.

3.3.3. Desarrollo del concepto

Para obtener lo mejor de ambos metodos de sensado, y compensar sus deficiencias, se

opto por utilizar un metodo hıbrido que combine de forma sinergica una etapa en lazo abier-

to, utilizando el calculo de la posicion solar y la etapa en lazo cerrado, utilizando sensores(para


Diseno

una revision mas exhaustiva de la solucion propuesta, revisar el apendice A).

Ademas, como sensor se utilizara un arreglo de fotorresistencias montado sobre la estruc-

tura del concentrador solar.

3.3.4. Integracion sinergica

Para lograr la sinergia de ambos metodos y el sistema en general, se utiliza el algoritmo

mostrado en la figura 3.4.

Figura 3.4: Algoritmo utilizado para buscar la posicion del Sol.

El algoritmo anteriormente mostrado se implemento en una tarjeta de desarrollo ATME-

GA129®cuyo codigo se puede ver en el apendice D.

3.3.5. Seleccion de materiales

Para el seleccion de los mismos, se encontro que para los ejes, es mejor utilizar acero

inoxidable, en el caso de la estructura es mejor el uso de Aluminio debido a que el prototipo

debe encontrarse en la intemperie durante su puesta en funcionamiento (Ver Apendice B).


3.4 Concentrador solar

3.4. Concentrador solar

3.4.1. Seleccion del tipo de concentrador solar

A continuacion se hace una breve comparacion entre los concentradores solares usando lentes

de Fresnel y espejos curvos, basandonos en los datos encontrados durante la investigacion

previa al diseno.

Tamano: En cuanto a esta caracterıstica la lente de Fresnel tiene una amplia ventaja puesto

que con un tamano relativamente bajo es capaz de lograr temperaturas grandes si se le com-

para con un espejo curvo y por ejemplo esta el inmenso arreglo de espejos en Odeillo, Francia.

Masa: Este aspecto esta completamente ligado al anterior ya que una lente de Fresnel esta

hecha de Acrılico Optico con una densidad de 1200 kgm3 la cual dadas las dimensiones reduci-

das, no representa un gran aporte de masa, en cambio el horno solar de Odeillo es un edificio

de 18 m de altura.

Temperatura: Esta caracterıstica no es tan facil de apreciar puesto que de alguna forma

se pueden obtener temperaturas iguales con ambos concentradores, sin embargo la lente de

Fresnel es mas sencilla de implementar.

Conclusion: Debido a que para alcanzar temperaturas mayores a 700 °C se requiere de una

superficie de aproximadamente 3.4 m2 utilizando un reflector curvo (segun [9]) y con una lente

de Fresnel de dimensiones menores, se alcanzan temperaturas superiores a 1200 °C (Pues se

logra fundir arena de sılice con el Solar Sinter, [3]), se ha seleccionado la lente de Fresnel

como concentrador solar para el dispositivo.


Diseno

3.4.2. Calculo de temperatura teorica usando una lente de Fresnel

Para el calculo de la temperatura teorica se utiliza la siguiente constante de concentracion:

C3D,max = 43 400 (3.1)

Para revisar la deduccion de la misma revise [19], a partir de 3.1 se puede encontrar la

temperatura maxima teorica con ayuda de la siguiente ecuacion:

Tabs,max = Ts ∗ 4

√C

Cmax(3.2)

Donde Ts es la temperatura del Sol con un valor de 5 778 K, entonces con una concen-

tracion de C = 100 (lo que implica que, con una superficie de lente de 1 m2 con respecto a

una superficie a concentrar de 10 cm por lado), se tiene la siguiente temperatura teorica:

Tabs,max = 992.76 ◦C (3.3)

Este resultado cumple con lo estipulado en el primer objetivo.


3.5 Dispositivo de enfoque

3.4.3. Caracterısticas del lente de Fresnel a utilizar

Se adquirio un lente ya fabricado. Las caracterısticas fısicas del lente seran utilizadas por

punto de partida para el diseno del dispositivo que tendra la funcion de orientar el lente de

Fresnel para que siga la trayectoria del Sol.

Caracterısticas:

1. Dimensiones: 1000 x 1000 mm.

2. Distancia focal: 880 mm.

3. Espesor: 3 mm.

4. Distancia entre anillos: 0.3 mm.

3.5. Dispositivo de enfoque

3.5.1. Analisis de dispositivo de enfoque

El concepto de este mecanismo se basa en el uso de un tornillo el cual es movido a su vez

mediante un actuador, el proposito de esto, es buscar la posicion en la cual la temperatura

a alcanzar es la suficiente para el proposito que se desee, por ejemplo, fundir metales, hervir

agua, etc.(ver figura 3.7).

Figura 3.5: Mecanisomo de enfoque (CAD).


Diseno

Como se puede ver, el motor se encuentra en la parte baja y esta directamente acoplado

al tornillo, de tal forma que pueda elevarlo o bajarlo, cabe mencionar en un principio no se

tenıa un mecanismo especificado debido a que su diseno depende de los mecanismos restantes

(azimutal y elevacion).

3.5.2. Diseno de transmision

Para el calculo2 de la transmision del dispositivo de enfoque, se utilizara un mecanismo

de husillo (ver figura 3.10), con las siguientes caracterısticas3:

1. Diametro del husillo: d = 0.62 in.

2. Paso: P = 0.3937 in.

3. Coeficiente de friccion: µ = 0.01.

3. Masa del dispositivo: M = 40.09 lb.

4. Eficiencia del dispositivo: η = 0.9.

2”Cabe mencionar que, dado que la mayorıa de libros de Mecanica y los proveedores consultados utilizan

unidades del sistema ingles; se ha preferido utilizar estas para los calculos de las transmisiones, y el Sistema

Internacional para el resto de unidades fısicas. ”3 Algo a recalcar, es que las caracterısticas fueron obtenidas de los valores comerciales de mecanismos de

husillo . Aquı lo que se sugiere, es verificar; si las caracterısticas por enunciar, son lo bastante razonables como

para la adquisicion del mecanismo de husillo, cuya uso surgio del diseno conceptual seleccionado ver apendice

A


3.5 Dispositivo de enfoque

Figura 3.6: Mecanismo de husillo.

A partir de las caracterısticas del husillo, se tiene el siguiente procedimiento para deter-

minar las caracterısticas del motor.

Como se puede ver en la figura 3.6 la unica fuerza significativa es la gravedad, y tomando

en cuenta que la masa del dispositivo completo es de 40.09 lb, se tiene:

G = mg = (40.09 lb)(386.22in

s2) = 43.79 lb (3.4)

Para obtener el momento necesario se utiliza la siguiente formula:

Ml = G(P

2πη+ µ ∗ d

2) (3.5)

Sustituyendo los valores del mecanismo en 3.5 se tiene:

Ml = 43.79 lb(0.3937 in

2π ∗ 0.9+ 0.01 ∗ 0.31m) = 3.1866 lb in (3.6)

Entonces considerando que se utilizara un motor nema23, que a 1 rpm cuenta con un torque

de 16.19 lb in se tiene el siguiente factor de seguridad.

γ =16.69 ln in

3.1866 lb in= 5.23 (3.7)


Diseno

3.6. Dispositivo de elevacion

3.6.1. Analisis de dispositivo de elevacion

Al investigar diversos proyectos de orientadores solares, se observaron los principales pro-

blemas al intentar orientar un concentrador solar. El principal es el momento requerido para

modificar el angulo de elevacion del concentrador. El proyecto ”Solar Sinter” (ver figura 3.7),

resolvio este problema utilizando una estructura que en un extremo soporta el peso de un

lente de Fresnel, mientras en el otro extremo posee un contrapeso que permite mover el centro

de masa para ubicarlo en el eje de giro.

Figura 3.7: Lente de Fresnel sobre una estructura de elevacion controlable.


Para el calculo de un eje con las caracterısticas de funcionamiento deseadas, se usa un

motor nema23 con la siguiente curva de comportamiento (ver figura 3.8), dicho dispositivo

tiene un momento de inercia de 39 604.35 lb in2 4.

4Este valor de inercia se obtuvo mediante el uso del software SOLIDWORKS 2011 ®


3.6 Dispositivo de elevacion

Figura 3.8: Curva caracterıstica del motor a pasos nema23.

Ademas, se utiliza un mecanismo tornillo sinfin-corona, el cual tiene una relacion de

engranes de 30, lo cual implica que por cada giro del tornillo, el corona se mueve 12°, esto

es importante, puesto que con los datos de posicion solar (ver tabla 3.2), se encontro que el

promedio de cambio de posicion para los ejes de elevacion y azimutal por cada 10 minutos

durante un ano son los siguientes:

Diferencia promedio del eje de elevacion : 1.988◦ (3.8)

Diferencia promedio del eje azimutal : 2.8◦ (3.9)

Por lo que se decidio actualizar el sistema cada 30 minutos, es decir, triplicar los valores

antes expuestos, ademas de utilizar para la actualizacion una curva de velocidad como la

siguiente:

Figura 3.9: Comportamiento deseado en el movimiento del motor.


Diseno

Donde se tiene que determinar el tiempo para cada parte de la curva, por lo que se tiene

la siguiente formula(ver figura 3.9):

Posicion

ω= t1 + t2 (3.10)

Entonces, dado que el sistema se va a actualizar cada 30 minutos, se calculo que la flecha

del motor se debe mover 2.95 rad y que, para estar dentro de la curva de comportamiento del

motor se utilizara la menor velocidad posible, es decir, 1 rpm puesto que es en esta velocidad

donde se tiene el mayor torque posible.

⇒ 2.95 rad

0.1047 rads

= 30 (3.11)

⇒ 30 = t1 + t2 (3.12)

Si se considera t1 = t2:

t1 = t2 = 15 s (3.13)

⇒ α = 0.00698rad

s2(3.14)

Para verificar que con esta aceleracion no se sobrepasa el torque maximo suministrado se

utiliza la ecuacion siguiente:

M = (1

n2)Jα (3.15)

Donde n es la relacion de engranes del sistema, entonces sustituyendo:

M = (1

302) ∗ 39 604.35 lb in2 ∗ 0.00698

rad

s2= 0.3071 lb in << 16.19 lb in (3.16)

Entonces, el eje de elevacion del mecanismo, tiene velocidad aceptable de:

1. ω: 0.1047 rads .



Calculo por resistencia.

Para el calculo del diametro mınimo del eje, se van a tomar algunas caracterısticas ya calcu-

ladas y el codigo ASME.

Para el calculo de torque de entrada se tiene la siguiente ecuacion:

Mt =63000p

ω(3.17)

Donde p es la potencia y ω es la velocidad angular en rpm, por lo que sustituyendo en 3.17

se tiene:

Mt = 5.67 lb in (3.18)

Dividiendo el momento por el radio del corona, se tiene la siguiente fuerza tangencial:

Ft = 3.7859 lb (3.19)

A su vez la fuerza radial viene dada por:

Fr = Ft ∗sin(φn)

cos(φn) ∗ cos(λ)− ξ sin(λ)(3.20)

Donde φn es el angulo de presion normal con un valor de 14° y λ es el angulo de avance

con un valor de 4.56°, estos valores vienen dados por el fabricante; en cuanto a ξ, que es el

coeficiente de friccion tiene la siguiente expresion:

ξ = 0.103 ∗ e−0.110∗V 0.450s + 0.012 (3.21)

Vs= Velocidad de deslizamiento de la corona, la cual a su vez viene dada por:

Vs = πDg ∗ ng12 sin(λ)

(3.22)

Dg = Diametro de paso de la corona.

ng = Velocidad de giro de la corona.

En nuestro caso Dg =0.25 ft y ng = 0.105 rads , por lo que sustituyendo estos valores en

3.22 se tiene:


Diseno

Vs = 0.0864ft

min(3.23)

µ = 0.1113 (3.24)

Por ultimo:

Fr = 0.9557 lb (3.25)

Con estos valores de fuerzas, se utilizara el siguiente diagrama del eje de elevacion:

Figura 3.10: Eje del mecanismo de elevacion.

Este eje para su analisis se divide en 2 planos, plano horizontal y vertical, el primero a

analizar sera el plano horizontal, el cual contiene la fuerza tangencial, aplicando suma de

fuerzas y momentos, la reaccion en el punto b tiene la siguiente forma:

RBx = Ft ∗x+ y

y + z(3.26)

Donde x, y y z estan indicados en el diagrama del eje de elevacion y por simetrıa del sistema

la reaccion en el punto B es la misma que en el punto D.

RBx = RDx = 5 lb (3.27)

Con estos valores de reacciones se obtienen los diagramas de esfuerzo cortante (V) y

momento flector (M):



Figura 3.11: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano horizontal

en eje del mecanismo de elevacion.

Para el plano vertical se sigue un procedimiento similar, con la diferencia de que se

obtienen las siguientes reacciones:

RBy = RDy = 1.2623 lb (3.28)

De donde se obtienen de manera analoga los diagramas de esfuerzo cortante y momento

flector:


Diseno

Figura 3.12: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano vertical en

el eje del mecanismo de elevacion.

A partir de estos diagramas, se obtiene el momento flector maximo, este para evitar

calculos innecesarios se obtiene en el punto B y tiene el siguiente valor:

Mf = 7.6921 lb in (3.29)

Para la siguiente parte del analisis de utiliza el siguiente cuadro (ver Tabla 3.3).



Condicion de carga kf kt

Carga aplicada gradualmente 1.5 1.0

Carga repetitiva 1.5 a 2.0 1.0 a 1.5

(choque menor)

Carga repentina 2.0 a 3.0 1.5 a 3.0

(choque mayor)

Cuadro 3.3: Factores de carga y choque.

Para el proposito de este eje, se utiliza el caso intermedio, debido a que tendra carga, pero

esta no sera un choque mayor, lo que implica:

kf = 2.0 y kt = 1.5 (3.30)

Otro factor a considerar es el cortante maximo admisible, en el caso de este eje estara hecho

de acero 304 lo que implica lo siguiente:

ζ = 14370 psi (3.31)

Por lo que el diametro crıtico segun el codigo ASME queda como sigue:

dm = 3

√16

π ∗ ζ∗√

(kf ∗Mf )2 + (kt ∗Mt)2 (3.32)

Sustituyendo valores en 3.32 se tiene:

dm = 0.1840 in (3.33)

Calculo por rigidez.

Para este analisis se utilizara un enfoque distinto (aunque tambien se utilizan los 2 planos de

analisis), ya que, depende de la flexion que sufre el eje debido a sus componentes, para esto

se aplicara la teorıa de Timoshenko.


Diseno

Figura 3.13: Distribucion de fuerzas y reacciones en el eje del mecanismo de elevacion del

dispositivo (plano horizontal).

Plano horizontal

Primeramente el modulo de elasticidad del acero:

E = 29 ∗ 106 psi (3.34)

Despues se obtiene el momento de inercia, para lo cual se utiliza el diametro anteriormente

calculado para saber si es el mınimo necesario.

I =π

64∗ d4 psi = 5.63 ∗ 10−5 kgm2 (3.35)

Siendo ası, la ecuacion de flexion para el eje es la siguiente:

E ∗ I ∗y =0.9557 ∗ x3

6− 1.2623∗ < x− 1.97 >3

6+

0.9557∗ < x− 3.17 >3

6−2.3132∗x (3.36)



Donde sustituyendo los valores de interes en 3.36 se obtiene.

x = 0 in:

y = 0 in (3.37)

x = 3.17 in:

y = 0.0076 in (3.38)

Plano vertical

Para este plano se tiene un diagrama de fuerzas identico, salvo los valores que varıan

debido a las componentes a tratar, sin embargo, debido a que el procedimiento es bastante

largo se resumira con las ecuaciones de mayor interes.

E ∗ I ∗ y =3.7859 ∗ x3

6− 5∗ < x− 1.97 >3

6+

3.7859∗ < x− 3.17 >3

6− 14.5768 ∗ x+ 24.8754

(3.39)

Donde de igual forma se obtienen las flexiones en los mismos puntos de x.

x = 0 in:

y = 0.0148 in (3.40)

x = 3.17 in:

y = −0.0023 in (3.41)


Diseno

Por lo que obteniendo la norma de ambas deflexiones se tiene:

x = 0 in:

y = 0.0148 in (3.42)

x = 3.17 in:

y = 0.0079 in (3.43)

Pero estos valores violan la norma, debido a que la deflexion maxima no debe exceder

0.001 in, entonces se decidio utilizar un valor de diametro mınimo de 0.5 in, cuyos nuevos

valores de deflexion son los siguientes: x = 0 in:

y = 0.2707 ∗ 10−3 in (3.44)

x = 3.17 in:

y = 0.1457 ∗ 10−3 in (3.45)

Estos valores estan dentro de la norma.

3.7. Dispositivo Azimutal

3.7.1. Analisis de dispositivo Azimutal

Para el calculo de un eje con las caracterısticas de funcionamiento deseadas, se usa un

motor nema34 con la siguiente curva de comportamiento (ver figura 3.14), dicho dispositivo

tiene un momento de inercia de 14.21 kgm2.


3.7 Dispositivo Azimutal

Figura 3.14: Curva caracterıstica del motor nema34.


El metodo de resolucion es el mismo que el eje de elevacion, con la diferencia de que

este eje esta colocado en forma vertical (ver figura 3.15), ademas, debido a la similitud del

metodo, solo se presentaran los resultados mas importantes.

Figura 3.15: Alimentacion del sistema.

De nueva cuenta, se calculo que la flecha del motor se debe mover 4.39 rad y que, para

estar dentro de la curva de comportamiento del motor se utilizara la menor velocidad posible,

es decir, 1 rpm puesto que es en esta velocidad donde se tiene el mayor torque posible.


Diseno

4.39 rad

0.1047 rads

= 42 (3.46)

t1 + t2 = 42 (3.47)

Si se considera t1 = t2:

t1 = t2 = 21 s (3.48)

⇒ α = 0.00498rad

s2(3.49)

Entonces, el eje azimutal del mecanismo(ver figura 3.15), tiene una velocidad aceptable:

1. ω: 0.1047 rads .

Calculo por resistencia.

Por este metodo, se obtuvieron las siguientes reacciones:

RBx = RDx = 0.0404 lb (3.50)

RBy = RDy = 0.0106 lb (3.51)

y,

⇒ Mf = 0.1236 lbin (3.52)

ademas,

⇒ Mt = 0.1212 lbin (3.53)

Por lo que el diametro mınimo es el siguiente:

dm = 0.0477 in (3.54)


3.7 Dispositivo Azimutal

Calculo por rigidez.

En este metodo se llego a la siguiente ecuacion en el plano horizontal:

E ∗ I ∗ y =0.2424 ∗ x3

6− 0.0202 ∗ x (3.55)

En x = 2.96 in:

y = 0.0155 in (3.56)

Para el plano vertical:

E ∗ I ∗ y =0.636 ∗ x3

6− 5.3 ∗ 10−3 ∗ x (3.57)

En x = 2.96 in:

y = 0.0041 in (3.58)

Por ultimo la deflexion total es:

y = 0.0161 in (3.59)

Pero al igual que el eje anterior, este no cumple con la norma, por lo cual para homologar

el diametro del anterior eje, se utilizara un diametro de 0.5 in, siendo ası, la deflexion maxima:

y = 1.3342 ∗ 10−6 in (3.60)


Diseno

3.8. Analisis de sistema de alimentacion

3.8.1. Seleccion del concepto

Esta, es una de las partes mas importantes puesto que define que es lo que dara energıa

al prototipo, esta basado en celdas solares debido a que estas aprovechan la energıa solar,

para aumentar su eficiencia energetica, orientaran hacia el Sol utilizando la misma estructura

del concentrador solar. La gestion de la energıa que estas generan utilizara un controlador de

carga que alimente a los circuitos y actuadores cuando estos esten en uso, en caso contrario

se pretende que el controlador almacene energıa en una baterıa para su posterior uso en

situaciones donde las condiciones del Sol no favorezcan una buena recepcion de energıa. Por

ultimo se usa un regulador para evitar sobrecargas (ver figura 3.16).

Figura 3.16: Sistema de alimentacion del dispositivo orientador.


3.8 Analisis de sistema de alimentacion

3.8.2. Seleccion de celdas solares

La seleccion de las celdas solares, se baso en lo siguiente:

1. Cada motor consume a carga maxima 42 W a 12 V.

2. La circuiterıa consume 1 A a 5 V.

3. Lo que implica que se requieren 131 W.

Por lo que se opto por 2 celdas de 90 W para cubrir lo exigido;las caracterısticas de ambas

celdas son las siguientes:

Potencia Nominal 90 W

Voltaje a circuito abierto 21.9 V

Corriente en corto circuito 5.14 A

Voltaje de maxima potencia 17.5 V

Corriente de maxima potencia 5.14 A

Voltaje maximo del sistema 600 Vdc

Dimensiones 1018 x 666 x 35 mm

Cuadro 3.4: Caracterısticas de las celdas solares a utilizar.


Diseno

Fısicamente la celda es como la siguiente:

Figura 3.17: Celda solar Eplus-90 W.

3.8.3. Circuito de control

El circuito de control utilizado en el prototipo, fue una tarjeta de control de motores

a pasos con capacidad de hasta 3 de ellos; todo esto con maximo de 3 A por cada motor

utilizado.

Figura 3.18: Tarjeta para control de motores.



3.8.4. Seleccion de baterıa

Para esta parte se utilizo el mismo proveedor de las celdas solares, de sus catalogos se

selecciono la baterıa 31H ver figura 3.19, con las siguientes prestaciones:

1. 12 V, 115 Ah @ 100 hr y una vida util de 3 a 4 anos.

Figura 3.19: Bateria.

3.8.5. Seleccion de controlador de carga y regulador

Tomando en cuenta las caracterısticas de las celdas solares y la baterıa a utilizar, se

opto por utilizar un controlador de carga con las siguientes caracterısticas:

1. 12 V de salida.

1. Soporta 40 A de corriente de entrada.


Diseno

Este controlador, tiene la siguiente apariencia:

Figura 3.20: Controlador de carga.

En conclusion, el proceso de diseno consta de varias perspectivas incluyendo la parte tecnica

y todas las posibles soluciones evaluandolas segun criterios de funcionamiento estipulados por

la aplicacion y/o el cliente.

En cuanto a la evolucion del diseno, se utilizo el metodo de Martin Grimheden para efec-

tos sinergicos[20], donde se pueden ver los cambios que ha tenido el prototipo durante su

desarrollo.

Figura 3.21: Dispositivo orientador completo.



Figura 3.22: Mecanismo azimutal del dispositivo orientador.

Figura 3.23: Mecanismo de elevacion del dispositivo orientador.


Diseno

Figura 3.24: Base del dispositivo orientador.

Como se puede ver en relacion a sus anteriores versiones, el dispositivo ha variado mucho

llegando al siguiente diseno final.

Figura 3.25: Dispositivo completo.


Parte III

Validacion

59

CAPITULO 4

Construccion del prototipo

4.1. Analisis de manufactura

El analisis de manufactura en la construccion del prototipo de dispositivo orientador es

de vital importancia, esto debido a que muestra la informacion necesaria para determinar

el tiempo requerido de mecanizado de cada una de la piezas que tengan que pasar por un

proceso; ya sea en fresadora manual, torno, etc. Ademas de ello, se muestran las herramientas

de corte necesarias para este proposito.

En las paginas subsecuentes, se muestra el analisis de manufactura para 2 piezas perte-

necientes al dispositivo de elevacion, la razon de ello es mostrar como se realizo este analisis.

61


4.2. Analisis de mecanizado de piezas

En el siguiente analisis se calcularon los tiempos de mecanizado de algunas de las piezas

utilizadas. No se muestran todas ya que solo se busca mostrar lo que se realizo en todas ellas

y no ellas en sı mismas.


4.2 Analisis de mecanizado de piezas

Analisis de tiempos de placa Azimutal soporte motor.


4.2 Analisis de mecanizado de piezas

Caja rodamiento superior eje elevacion.



4.3. Plan de manufactura

El plan de manufactura busca encontrar la mejor solucion para ensamble de los compo-

nentes del dispositivo. En la imagen siguiente, se encuentra el plan de ensamble del marco

de la lente de Fresnel, donde se puede ver como se ensambla componente a componente el

marco.

Figura 4.1: Plan de ensamble del marco de la lente de Fresnel.

La razon por la cual no se presenta el plan de manufactura completo es debido al proceso

de obtencion de patente al que este prototipo esta sujeto.


4.4 Analisis mediante elemento finito

4.4. Analisis mediante elemento finito

El analisis mediante elemento finito es una poderosa herramienta creada para simular los

efectos de las cargas en cualquier componente con la finalidad de estudiar su comportamiento

ante tales cargas. En el caso del analisis modal, no es necesario el uso de cargas, sin embargo,

solo con la geometrıa del componente y su material constituyente, se pueden encontrar los

modos de vibracion.

4.5. Analisis mediante ANSYS 13.0®

En el caso del prototipo, se realizo el analisis de deflexion para el eje que hace girar el

mecanismo azimutal con las siguiente condiciones de frontera:

Figura 4.2: Eje del dispositivo azimutal.



Despues de modelar el eje en ANSYS ®y aplicando las fuerzas correspondientes, se obtuvo

lo siguiente:

Figura 4.3: Deflexion del eje del dispositivo azimutal.

En la figura se puede observar que la deflexion es aproximadamente la misma respecto a la

calculada teoricamente, esto es de gran ayuda puesto que se comprueba lo que quedo estipu-

lado en los calculos previos. Un analisis diferente, pero que tambien es de gran utilidad es el

analisis modal, el cual busca encontrar las frecuencias naturales del objeto, pieza o ensamble

segun sea el caso. Siendo ası, se obtuvieron los primeros tres modos de vibracion, obteniendo

lo que se muestran en la pagina siguiente siguiente:


4.5 Analisis mediante ANSYS 13.0®

Figura 4.4: Primer modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal.

Figura 4.5: Segundo modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal.



Figura 4.6: Tercer modo de vibracion del eje del dispositivo azimutal.

En este caso se puede ver que el eje debe trabajar en frecuencias diferentes a las mostra-

das,en el caso del mecanismo azimutal, este no trabaja en este ancho de banda por lo que se

puede decir que se va a trabajar correctamente.



Para el caso del eje del mecanismo de elevacion, se utilizaron las siguientes condiciones

de frontera:

Figura 4.7: Deformacion del eje del dispotivo de elevacion.

Donde se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 4.8: Deformacion del eje del dispotivo de elevacion.



Lo que se puede observar es que la deformacion es similar al resultado obtenido teorica-

mente. Ahora bien, en el caso de los modos de vibracion, a continuacion, se presentan las

primeras tres frecuencias naturales:

Figura 4.9: Primer modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion.



Figura 4.10: Segundo modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion.

Figura 4.11: Tercer modo de vibracion del eje del dispotivo de elevacion.

De igual forma, la region de operacion del dispositivo es diferente a la de las primeras tres

frecuencias naturales del eje, por lo que se puede trabajar con normalidad.



4.6. Construccion fısica

La construccion del dispositivo se realizo en etapas, es decir, se decidio dividirlo por

mecanismos, en cuanto a herramental se refiere, se utilizo equipo como el torno, frssadora,

CNC (Control Numerico Computarizado), etc. Esto se puede ver en las siguientes figuras:

Figura 4.12: Maquinado de ejes en el torno.

Figura 4.13: Operario en el torno.


4.6 Construccion fısica

Mecanismo de elevacion.

Este mecanismo cuenta con los siguientes componentes:

Figura 4.14: Eje con tornillo sin fin.

Figura 4.15: Eje con engrane y corona.

Figura 4.16: Placa de union con la estructura de elevacion.



Una vez concluidos los componentes, se ensamblaron como se muestra a continuacion:

Figura 4.17: Izquieda: Vista superior; Centro: Vista frontal; Derecha: Ensamble del mecanismo

de elevacion.

Estos, a su vez fueron ensamblados en la estructura principal.

Figura 4.18: Mecanismo de elevacion ensamblado.



Figura 4.19: complemento del mecanismo de elevacion.

Mecanismo azimutal.

En el caso de este mecanismo se realizaron las siguientes partes:

Figura 4.20: Eje del tornillo azimutal con chumaceras.



Figura 4.21: Eje del engrane azimutal con chumacera y placa de soporte.

Donde a su vez se ensamblaron formando el mecanismo, sin embargo, a diferencia del meca-

nismo anterior, este fue ensamblado directamente sobre la estructura.

Figura 4.22: Ensamble del mecanismo azimutal.



Mecanismo de enfoque.

Este ultimo mecanismo se ensamblo directamente puesto que, los componentes fueron direc-

tamente comprados.

Figura 4.23: Tuerca y motor dentro del dispositivo de enfoque.

Figura 4.24: Tornillo sin fin y base para enfoque dentro del dispositivo de enfoque



Para concluir, se muestran los tres dispositivos ensamblados en el prototipo final donde

se pueden apreciar desde distintos angulos.

Figura 4.25: Ensamble del seguidor solar, vista lateral.

Figura 4.26: Ensamble del seguidor solar, vista frontal.



Figura 4.27: Ensamble del seguidor solar.

En cuanto al control del prototipo, se construyo como a continuacion se describe:

Figura 4.28: caja de circuitos.

Como se pudo ver en la figura anterior (ver figura 4.28) el circuito de control fue montado

en un gabinete contra el agua para evitar problemas debidos a su exposicion en la intemperie.



En el caso del control manual, se utilizo un control para el movimiento del dispositivo

(ver figura 4.29)

Figura 4.29: Control de manejo.

Este control es de gran ayuda para manipular el prototipo en forma manual, y ası, realizar

las pruebas de temperatura que se describen en el siguiente capitulo.

De todo lo anterior descrito, se puede concluir que con ayuda de los criterios para la

manufactura descritos, se pudo lograr la consecucion del prototipo en forma exitosa, todo

esto con el objetivo de lograr los objetivos planeados al principio.


CAPITULO 5

Pruebas

5.1. Pruebas de funcionamiento

Se realizo una prueba de funcionamiento del dispositivo el martes 11 de diciembre a

las 5:30 pm, en la cual se encontro, que alcanzo una temperatura de 530 °C en un tiempo

aproximado de 10 minutos (ver figura 5.1) lo que implica que en meses mas calurosos como

abril, se debe esperar un ascenso de la temperatura y por lo tanto en la energıa colectada por

parte de las celdas solares.

Figura 5.1: Temperatura alcanzada en un periodo de 10 minutos sobre una barra de acero

304.

83

Pruebas

Otra prueba, se baso en la capacidad de las lentes para fundir materiales como se muestra

a continuacion.

Figura 5.2: Prueba de una lente de Fresnel sobre una lata de aluminio.

Como se puede ver el material quedo calcinado por la accion de la lente. En cuanto a la

ubicacion del dispositivo, se uso un emplazamiento a la intemperie para realizar dicha prueba,

siendo ası, se tiene la siguiente apariencia:

Figura 5.3: Dispositivo emplazado en su posicion final de pruebas.

En cuanto a los resultados obtenidos, la variacion de los mismos promedio 5° respecto

a cada angulo, a pesar de esto, la temperatura se alcanzo como ya se ha podido apreciar;

ademas, cumple con las caracterısticas de funcionamiento expuestas anteriormente en el PDS

teniendo una eficiencia del 100 % puesto que fundio todo el material colocado en la superficie

para su fundicion.


CAPITULO 6

Analisis de costos

En este capıtulo se debe partir con un concepto que es vital en el ambito de la ingenierıa.

El costo: Dıgase en forma escueta y pueril, como el desembolso en efectivo o en especie hecho

en el pasado, en el presente y en el futuro[21].

En terminos mas formales, se analizaran los recursos financieros utilizados en la construc-

cion del prototipo pasando por varios rubros, entre ellos se tiene: materia prima, disponibili-

dad del personal, equipo especializado,etc.

En este sentido, a continuacion se presenta el estudio economico correspondiente al pro-

totipo, en el cual se presentan los costos en sus diferentes vertientes [21].

85

Analisis de costos

6.1. Costos de produccion

El prototipo consta de una gran cantidad de materiales y componentes para su construc-

cion. Estan distribuidos dentro de los diferentes dispositivos, lo que implica que muchos no

se usaron solo en un dispositivo, sino ya sea en 2 o inclusive los 3 en los que se dividio el

prototipo. En la tabla siguiente se muestran los costos de materiales y componentes.

Concepto Precio unitario ($) Cantidad Subtotal ($) % IVA ($) Costo total ($)

Perfiles de aluminio 200 pesos/m 11.5 m 2 300 368 2 668

Lente de Fresnel 4 000 2 lentes 8 000 1 280 9 280

Ruedas articuladas 250 4 ruedas 1 000 160 1 160

Celda solar, baterıa 12 018.46/juego 1 juego 12 018.46 1 922.96 13 941.42

y controlador

Cable 150/rollo 2 rollos 300 48 348

Gabinete 300/pieza 1 pieza 300 48 348

Solera de acero 300/tramo 3 tramos 900 144 1 044

Engranes con 2 520.15/juego 2 juegos 5 040.3 836.44 5 876.74

tornillo sin fin

Tornillo sin fin 2500/juego 1 juego 2500 400 2900

y tuerca

Solera de aluminio 300/tramo 1 tramo 300 48 348

Eje rectificado 300/m 1 eje 300 48 348

Tornillerıa y juntas 25/pieza 520 piezas 13 000 2 080 15 080

de aluminio

Total 53 342.16

Cuadro 6.1: Costo de componentes y materiales.

A continuacion se presentan los costos en consumo electrico requeridos, aunque se de-

be mencionar que estos son absorbidos por la UPIITA, ya que allı se realizaron todas las

operaciones de manufactura.


6.1 Costos de produccion

Equipo Unidades HP del motor Consumo Consumo h/dıa Consumo

KW/h/motor KW/h total KW-h/dıa

Torno 1 5 3.75 3.75 4 15

Fresadora 1 2 1.5 1.5 4 6

CNC 1 6.7 2 6 2 12

Taladro 1 0.5 0.375 0.375 1 0.375

Ordenador 2 1.2 8 9.6

Alumbrado 3.75 8 30

Total 72.975

Cuadro 6.2: Costo de energıa electrica.

Estos 72.975KW-h/dıa, son de gran utilidad para el calculo de consumo mensual de

energıa, es decir:

Cosumo total = consumo total diario ∗ dıas demanufactura = 72.975KW − h/dıa ∗ 30 dıas

(6.1)

Lo que da como resultado,

Cosumo total = 2 189.25KW − h (6.2)

Considerando 5 % debido a eventos sin contemplar, se tiene,

Cosumo total = 2 189.25KW − h ∗ 1.05 = 2 298.71KW − h (6.3)

Entonces considerando el costo de la energıa electrica (2.163 pesos/KW-h [22] se tiene,

Costo total = 2 298.71KW − h ∗ 2.163 pesos/KW − h = 4 972.11 pesos (6.4)

Aunque este costos se debe multiplicar por la cantidad de meses en los cuales el prototipo

fue desarrollado, lo que implica,

Costo total = 4 972.11 pesos ∗ 8 = 39 776.88pesos (6.5)


Analisis de costos

Por ultimo se muestran los costos de mano de obra. en este caso se muestran primeramente

los costos de mano de obra directa (Ver tabla 6.3) [23].

Mano de obra directa h/dıa Total de dıas Total de horas Sueldo por dıa Sueldo total

Empleado 1 8 240 1 920 84.5 20 080

Empleado 2 8 240 1 920 84.5 20 080

Total 40 160

Cuadro 6.3: Costo de mano de obra directa.

En cuanto a los costos de mano de obra indirecta [23] se tiene:

Mano de obra indirecta Sueldo mensual $ Total de meses Sueldo total

Asesor tecnico 1 8 000 12 96 000

Asesor tecnico 2 8 000 12 96 000

Total 192 000

Cuadro 6.4: Costo de mano de obra indirecta.

Estos costos de mano de obra directa e indirecta no son definitivos, puesto que se debe

agregar un 35 % debido a la ley del infonavit [24] lo que implica un total de costos de mano

de obra de:

Costo total demano de obra = 367 114.78 pesos (6.6)

Lo que implica un costo total del proyecto de:

Costo total del proyecto = 420 056 .95 pesos (6.7)

Este es, un resultado que puede servir como punto de referencia para comercializacion

y/o un estudio financiero mas exhaustivo.


Conclusiones

Como se pudo ver en el transcurso del presente trabajo escrito, para desarrollar un pro-

totipo en ingenierıa son necesarios muchos factores. Estos factores estan ligados unos con

otros puesto que se tiene que seguir una secuencia para la consecucion de los mismos y tener

resultados satisfactorios.

En cuanto al prototipo se refiere, tenemos 4 topicos importantes los cuales queremos resaltar:

1. Proceso de diseno.

2. Manufactura.

3. Resultados.

4. Mejoras a futuro.

Proceso de diseno

El proceso de diseno es bastante interesante y al mismo tiempo esta lleno de retos, puesto

que se tuvieron que contemplar muchas variables, ademas de que estas estan sujetas a su

vez a otras variables como por ejemplo: costos, tiempos, etc. Entonces, se puede decir que el

proceso de diseno de un prototipo u otra aplicacion, sea cual sea, las soluciones son multiples,

y estas dependen de factores externos para una posterior consecucion, esto en general cumple

con los objetivos 1 y 2.

89

Conclusiones

Manufactura

La manufactura del dispositivo fue muy enriquecedora en el sentido de que nos enfrenta-

mos a los problemas tıpicos dentro de una empresa manufacturera, por mencionar un ejemplo,

tuvimos la situacion de la falta de materiales la cual retrasaba los planes, al igual que un he-

rramental faltante y/o roto. Siendo ası la manufactura nos habla que a pesar de tener un plan

perfectamente organizado, difıcilmente se podra seguirlo al 100 % debido a factores externos,

sean estos cuales sean. La consecucion exitosa de la manufactura y todas sus implicaciones

cumple con los objetivos 3, 4, 5 y 6.

Resultados

En cuanto a resultados se refiere. Consideramos que han sido satisfactorios debido a que

la temperatura alcanzada esta en el orden de la calculada en forma teorica. La posicion por

otra parte, es capaz de enfocar la energıa solar en una region lo suficientemente estrecha

como para garantizar una temperatura alta, y ası, se cumple con los ultimos 2 objetivos de

los planteados en este trabajo.

Mejoras a futuro

Como en todo prototipo. Los resultados obtenidos siempre pueden ser mejorados, en

nuestro caso, el porcentaje de objetivos cumplidos se puede considerar en un 90 %, la razon de

ello es la falta de una interfaz grafica para el manejo del mismo, sin embargo, el funcionamiento

se puede considerar , entre las mejoras que encontramos se encuentran las siguientes:

1. Cambiar las ruedas inferiores.

2. Utilizar un suelo menos rugoso.

3. Utilizar un procesador mas poderoso en cuanto a manejo de memoria.

Estas mejoras fueron detectadas en el proceso de pruebas y se espera que estas mejoras

se puedan materializar a corto plazo.


Glosario

Azimut o acimut: es el angulo o longitud de arco medido sobre el horizonte celeste que

forman el punto cardinal Norte y la proyeccion vertical del astro sobre el horizonte del ob-

servador situado en alguna latitud. Se mide en grados desde el punto cardinal Norte en el

sentido de las agujas del reloj, o sea Norte-Este-Sur.

PDS:Product Design Specifications,son las especificaciones que se requieren del producto,

mas no del producto en sı mismo.

Sinergia: Fenomeno en que el efecto de la influencia o trabajo de dos o mas agentes actuando

en conjunto es mayor al esperado considerando a la sumatoria de la accion de los agentes por

separado.

Lentes de Fresnel: En 1748, el conde de Buffon (George Louis Leclerc, 1707 - 1788), escritor

y naturalista frances, sugirio que las lentes podrıan tener su peso sensiblemente disminuyendo

su superficie esferica sin disminuir su potencia. La idea fue llevada a la practica por el fısico

frances Agustın Fresnel (1788-1827) que lo consiguio rebajandola con cortes de la lente en

anillos circulares concentricos consecutivos (Lentes de Fresnel).

C.D.: Corriente Directa.

D.F.: Distrito Federal.

91

Glosario

Celda solar: Elemento encargado de transformar la energıa solar en electrica, se basa en un

fenomeno fısico denominado efecto fotovoltaico, que consiste en la produccion de una fuerza

electromotriz por accion de un flujo luminoso que incide sobre la superficie de dicha celula

(Energa solar) .

RS232: RS232 (Recommended Standard 232, tambien conocido como Electronic Industries

Alliance RS-232C) es una interfaz que designa una norma para el intercambio de una serie de

datos binarios entre un DTE (Equipo Terminal de Datos) y un DCE (Data Communication

Equipment, Equipo de Comunicacion de datos), aunque existen otras en las que tambien se

utiliza la interfaz RS-232.

ICyT: Instituto de Ciencia y Tecnologıa del D.F.


Parte IV

Apendices

93

Apendice A: Seleccion del concepto

.1. Seleccion del concepto

Durante la recopilacion de informacion y la investigacion sobre los metodos utilizados en

la actualidad para obtener la posicion del Sol, se distinguieron 2 metodos principales, lazo

cerrado (mediante uso de sensores) y lazo abierto.

Metodo de lazo cerrado

Utiliza sensores que detecten la intensidad luminosa, como pueden ser las fotorresistencias,

las celdas solares o utilizando una camara de vıdeo y vision artificial. El principal inconve-

niente es que se depende de las condiciones climatologicas y es susceptible al ruido. Si una

nube bloquea al Sol, el metodo puede dar una posicion del Sol erronea. Para lidiar con este

problema, es necesario contemplar y caracterizar los casos en los que el sensor puede fallar y

por medio de logica, detectar cuando no es posible obtener la posicion.

Metodo de lazo abierto

Utiliza la teorıa propia de la astronomıa de posicion para calcular los angulos de elevacion

y azimutal teoricos en los que se ubica el astro, en nuestro caso el Sol. Debido a que es inde-

pendiente de la intensidad lumınica, es inmune al ruido ambiental debido a nubes. Presenta

las desventajas de requerir mayor poder de computo y perifericos que utilizando un metodo

95


en lazo cerrado. La otra desventaja es la necesidad de conocer la ubicacion precisa del norte

geografico (La direccion norte que entrega una brujula es la del norte magnetico, que varia

de acuerdo al ano y requiere el calculo del angulo de declinacion magnetica para compensar

la ubicacion del norte geografico)[25].

Un dato a recalcar, es que el movimiento de cada uno de los dispositivos esta en funcion de

los datos que arroje el sensado, por lo que se deja fuera del analisis puesto que independien-

temente de como se logre el objetivo de locomocion, el sensado abarcara a los 3 dispositivos

en cuestion.

En cuanto al resto de los dispositivos que conforman al prototipo, se analizara mediante

la siguientes alternativas(ver cuadro 5):

Dispositivo de elevacion

Actuador Motor a pasos Motor de CD Motor AC

Transmision Tornillo sinfin-corona Tren de engranes Bandas

Dispositivo azimutal


Transmision Tornillo sinfin-corona Tren de engranes Bandas

Dispositivo de enfoque


Transmision Mecanismo de husillo Tren de engranes

Cuadro 5: Soluciones posibles.


.1 Seleccion del concepto

A partir de la tabla anterior, se obtuvieron los siguientes disenos conceptuales (que a

nuestra consideracion son los mas importantes):

Diseno conceptual 1 (D1): Motor a pasos,tren de engranes, motor a pasos, tren de engra-

nes, motor a pasos, tren de engranes.

Diseno conceptual 2 (D2): Motor a pasos,tornillo sinfin-corona, motor a pasos, tornillo

sinfin-corona, motor a pasos, mecanismo de husillo.

Diseno conceptual 3 (D3): Motor CD, tren de engranes, motor CD, tren de engranes,

motor de CD,tren de engranes.

Diseno conceptual 4 (D4): Motor CD, tornillo sinfin-corona, motor CD, tornillo sinfin-

corona,motor CD, mecanismo de husillo.

Diseno conceptual 5 (D5): Motor AC, tren de engranes, motor AC, tren de engranes,motor

de AC,tren de engranes.

Diseno conceptual 6 (D6): Motor AC, tornillo sinfin-corona, motor AC, tornillo sinfin-

corona, motor AC, mecanismo de husillo.

Para ayudar al proceso de seleccion del concepto, se utilizo la siguiente tabla de ponde-

raciones.

Calificacion Porcentaje

Bueno 50

Regular 30

Malo 20

Cuadro 6: Tabla de ponderaciones.



Las caracterısticas a evaluar son las siguientes:

1. Consumo de energıa.

2. Controlabilidad.

3. Costo.

4. Manufactura.

5. Mantenimiento.

6. Facilidad de uso.

A continuacion se obtiene la matriz de porcentajes binaria para comparar los objetivos y

las soluciones conceptuales.

Ponderacion de caracterısticas de los disenos conceptuales

Caracterıstica D1 D2 D3 D4 D5 D6

Consumo de energıa 60 60 30 30 10 10

Controlabilidad 60 60 30 30 10 10

Costo 30 60 30 60 10 10

Manufactura 30 60 30 30 10 10

Mantenimiento 30 60 30 30 10 10

Facilidad de uso 60 60 30 30 10 10

Cuadro 7: Valores asignados.


.1 Seleccion del concepto

En la siguiente tabla, se obtienen los porcentajes de pertenencia de cada caracterıstica

del prototipo:

1 2 3 4 5 6 Suma Pertenencia

1 0 1 1 1 1 1 5 0.454

2 0 0 1 1 1 0 3 0.273

3 0 0 0 0 0 1 1 0.091

4 0 0 0 0 1 0 1 0.091

5 0 0 0 1 0 0 1 0.091

6 0 0 0 0 0 0 0 0

Suma 11 1

Cuadro 8: Matriz binaria.



Para obtener el diseno conceptual final, se multiplico la ponderacion de cada objetivo,

con la correspondencia correspondiente, obteniendo los siguientes resultados.

Caracterıstica D1 D2 D3 D4 D5 D6 Peso

Consumo de energıa 60 60 30 30 10 10 0.454

27.24 27.24 13.62 13.62 4.54 4.54

Controlabilidad 60 60 30 30 10 10 0.273

16.38 16.38 8.19 8.19 2.73 2.73

Costo 30 60 30 60 10 10 0.091

2.73 5.46 2.73 5.46 0.91 0.91

Manufactura 30 60 30 30 10 10 0.091

2.73 5.46 2.73 2.73 0.91 0.91

Mantenimiento 30 60 30 30 10 10 0.091

2.73 5.46 2.73 2.73 0.91 0.91

Facilidad de uso 60 60 30 30 10 10 0.091

5.46 5.46 2.73 2.73 0.91 0.91

Total 56.84 65.46 32.73 35.46 10.91 10.91

Cuadro 9: disenos conceptuales ponderados.

Como se puede apreciar, el diseno conceptual numero 2 es que mejor puntuacion tuvo,

por lo que se eligio para ser desarrollado en posteriores analisis.


Apendice B: Seleccion de materiales

Para la seleccion de materiales, se utilizo el software CES EDUPACK 2005 ®donde se

utilizo la siguiente grafica para el analisis.

Figura 1: Grafica de Ashby: Modulo de elasticidad contra precio de ciertos materiales

101

Apendice B: Seleccion de materiales

Como se puede ver, materiales como el Aluminio, Acero y Acero inoxidables, los cuales

son de facil adquisicion en la ciudad de Mexico, tienen precios5 bajos y ademas, un lımite

elastico elevado comparado con las velocidades de uso, (1 rpm). Ahora bien, comparando

estos materiales con su densidad se obtuvo lo siguiente.

Figura 2: Grafica de Ashby: Modulo de elasticidad contra densidad de ciertos materiales

Entonces, considerando ambas figuras, el Aluminio y el Acero Inoxidable, son los mas

probables porque se pueden usar en exteriores, ahora bien, el modulo de elasticidad es mayor

en el Acero Inoxidable, es mejor utilizar este material para los ejes, y el Aluminio para el

resto de la estructura, cabe destacar que el Aluminio es ligero por lo que abarato el costo de

los motores.

5Los precios presentados son de septiembre del 2012.


Apendice C: Planos

42.

671

+ -0.02

00.

020

R6.350 +-0.0100.010

89.

329

+ -0.02

00.

020

132

+ -0.02

00.

020

6.

600

+ -0.01

00.

010

6 +-0.0200.020

1.790 +-0.0500.050

15

+ -0.01

00.

010

29.

640

+ -0.01

00.

010

102

.360

+ -0.03

00.

030

38.100 +-0.0020.002

7 +-0.0100.010

19.050 +-0.0100.010

117

+ -0.03

00.

030

A

B

C

D

E

Ra=3.2

[Placa A1] Placa azimutal soporte motor

1

26/10/12Daniel Gasca García

PESO: 339.83

AISI 1020A4

HOJA 1 DE 1ESCALA:1:1

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA

MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

103

Apendice C: Planos

230

+ -0.02

0.02

115

25

.40

11

.11

6.

60

11

.11

6.

60

15

69.

95 1

60.0

5 215

+ -0.02

0.02

A

B

C

Espesor de placa de 6.35 mm

Ra=3.2

[Placa A2] Placa azimutal soporte eje corona

2

Daniel Gasca García

PESO: 599.60

AISI 1020A4

HOJA 1 DE 1ESCALA:1:2

N.º DE DIBUJO

TÍTULO:

REVISIÓNNO CAMBIE LA ESCALA

MATERIAL:

FECHAFIRMANOMBRE

REBARBAR Y ROMPER ARISTAS VIVAS

ACABADO:SI NO SE INDICA LO CONTRARIO:LAS COTAS SE EXPRESAN EN MM

CALID.

FABR.

APROB.

VERIF.

DIBUJ.

Debido a que este prototipo esta en proceso de patente, se han omitido la mayorıa de los

planos.


Apendice D: Codigo para AVR

El codigo mostrado a continuacion solo muestra la forma de acceder a tablas para la

obtencion de la posicion solar, en cuanto al resto, se omitio por motivos de patentamiento.

105

/******************************************************************************** Definicion de constantes ********************************************************************************/

#define _ADDR_MEM_WRITE 0xA0#define _ADDR_MEM_READ 0xA1#define _AZIM 0#define _ELEV 1#define _NUM_HOURS_PER_DAY 10#define _NUM_DATA_PER_HOUR 8#define _NUM_DATA 2#define _NUM_BYTES 2#define _CNT_A (_NUM_DATA) * (_NUM_BYTES)#define _CNT_B (_CNT_A) * (_NUM_DATA_PER_HOUR)#define _CNT_C (_CNT_B) * (_NUM_HOURS_PER_DAY)

/******************************************************************************** Definicion de macros ********************************************************************************/

// Calcula la direccion de memoria donde se encuentra almacenada la posicion// solar (azimutal y elevacion) para un momento determinado a partir de la// ecuacion:// direccion base = (dia*C) + (hora*B) + (minuto*A)// Donde:// A = (# de datos) (# de bytes por dato)// B = (# de lecturas por hora) * A// C = (# de horas de trabajo por dia) * B#define _base_addr(day,hour,min) (day*_CNT_C) + (hour*_CNT_B) + (min*_CNT_A)

/******************************************************************************** Definicion de estructuras, uniones y tipos de datos ********************************************************************************/

typedef unsigned short int uint8;typedef unsigned int uint16;typedef union UINT16TO8 { uint16 u16; uint8 u8[2];} uint16to8;

/******************************************************************************** Declaracion de variables globales y requeridas por los perifericos ********************************************************************************/

// LCD module connectionssbit LCD_D4 at PORTA0_bit;sbit LCD_D5 at PORTA1_bit;sbit LCD_D6 at PORTA2_bit;sbit LCD_D7 at PORTA3_bit;sbit LCD_RS at PORTA4_bit;sbit LCD_EN at PORTA5_bit;

sbit LCD_D4_Direction at DDA0_bit;

sbit LCD_D5_Direction at DDA1_bit;sbit LCD_D6_Direction at DDA2_bit;sbit LCD_D7_Direction at DDA3_bit;sbit LCD_RS_Direction at DDA4_bit;sbit LCD_EN_Direction at DDA5_bit;// End LCD module connections

uint16 SPA[2][10][8][2][2];

//[365][10][8][2][2]//[DIA][HR][LEC][DATO][B]

/******************************************************************************** Definicion de funciones ********************************************************************************/

// config_mcu(): Funcion que inicializa y configura todos los perifericos usados// por el programa.void config_mcu() { Lcd_Init(); // Initialize LCD Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display Lcd_Cmd(_LCD_CURSOR_OFF); // Cursor off TWI_Init(100000); // initialize TWI communication}

void mem_write(uint16 address, uint8 memdata) { uint16to8 addr; addr.u16 = address; TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address + W) TWI_Write(addr.u8[1]); // send most significant word address TWI_Write(addr.u8[0]); // send least significant word address TWI_Write(memdata); // send data (data to be written) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal Delay_10ms(); // Delay requires

}

uint8 mem_read(uint16 address) { uint8 memdata; uint16to8 addr; addr.u16 = address; TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address + W) TWI_Write(addr.u8[1]); // send most significant word address TWI_Write(addr.u8[0]); // send least significant word address TWI_Start(); // issue TWI signal repeated start TWI_Write(_ADDR_MEM_READ); // send byte (device address + R) memdata = TWI_Read(0); // read data (NO acknowledge) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal}

return memdata;}

void fill_mem(void) {//uint16 SPA[2][10][8][2][2]; uint16 day,i; uint8 hour,min; uint16to8 azim,elev; i = 0; azim.u16 = 0; elev.u16 = 0;

for (day=0;day<5;day++) { for (hour=0;hour<10;hour++) { for (min=0;min<8;min++) {

azim.u16 = i; elev.u16 = i;

mem_write(_base_addr(day,hour,min)+0,azim.u8[1]); mem_write(_base_addr(day,hour,min)+1,azim.u8[0]); mem_write(_base_addr(day,hour,min)+2,elev.u8[1]); mem_write(_base_addr(day,hour,min)+3,elev.u8[0]);

if (i < 365) { i++; } else { i = 0; }

} } }}

void main() { char txt[15]; uint16 day; uint8 hour,min; uint8 memdata = 0; uint16to8 data16;

config_mcu(); Lcd_Out(1,1,"Init: OK"); fill_mem(); Lcd_Out(2,1,"Fill: OK"); Delay_ms(2000); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display

// ======================================== /* for (day=0;day<2;day++) { for (hour=0;hour<10;hour++) { for (min=0;min<8;min++) {

SPA[day][hour][min][_AZIM][1] = hour; SPA[day][hour][min][_AZIM][0] = hour + 1; SPA[day][hour][min][_ELEV][1] = min; SPA[day][hour][min][_ELEV][0] = min + 1; TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address +W) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(64); // send data (data to be written) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal Delay_10ms(); // Check this delay

TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address +W) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Start(); // issue TWI signal repeated start TWI_Write(_ADDR_MEM_READ); // send byte (device address + R) memdata = TWI_Read(0); // read data (NO acknowledge) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal} } } } */// ======================================== /* TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address + W) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(64); // send data (data to be written) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal Delay_10ms(); // Check this delay

TWI_Start(); // issue TWI start signal TWI_Write(_ADDR_MEM_WRITE); // send byte via TWI (device address + W) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Write(0x00); // send byte (address of EEPROM location) TWI_Start(); // issue TWI signal repeated start TWI_Write(_ADDR_MEM_READ); // send byte (device address + R) memdata = TWI_Read(0); // read data (NO acknowledge) TWI_Stop(); // issue TWI stop signal} */

/* while(1) { for (i=0;i<3;i++) { WordToStrWithZeros(SPA[0][0][0][0][0],txt); Lcd_Out(1,1,txt);

WordToStrWithZeros(memdata,txt); Lcd_Out(1,8,txt); WordToStrWithZeros(SPA[0][0][0][0][0],txt);

Lcd_Out(2,1,txt); Delay_ms(1000); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display } }*/ while(1) { for (day=0;day<5;day++) { for (hour=0;hour<10;hour++) { for (min=0;min<8;min++) { WordToStr(day,txt); Lcd_Out(1,1,txt); Lcd_Out(1,6,"D");

ShortToStr(hour,txt); Lcd_Out(1,7,txt); Lcd_Out(1,11,"H"); ShortToStr(min,txt); Lcd_Out(1,12,txt); Lcd_Out(1,16,"M");

data16.u8[1] = mem_read(_base_addr(day,hour,min)+0); data16.u8[0] = mem_read(_base_addr(day,hour,min)+1); WordToStrWithZeros(data16.u16,txt); Lcd_Out(2,1,txt); data16.u8[1] = mem_read(_base_addr(day,hour,min)+2); data16.u8[0] = mem_read(_base_addr(day,hour,min)+3); WordToStrWithZeros(data16.u16,txt); Lcd_Out(2,7,txt); Delay_ms(30); Lcd_Cmd(_LCD_CLEAR); // Clear display } } } }

}

Anexo A: Radiacion promedio anual

111

Bibliografıa

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[19] R.Leutz,A.Suzuki,((Nonimaging Fresnel Lenses, Design and Performance of Solar Con-

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[20] Martin Grimheden , Mats HansonKTH Machine Design, Mechatronics Lab, Royal Ins-

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[21] G. B. Urbina, Evaluacion de proyectos, Mc Graw Hill., 2007.

[22] Tarifas de luz electrica, http://app.cfe.gob.mx/Aplicaciones/CCFE/Tarifas/Tarifas

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[23] Costos de mano de obra, http://mim.promexico.gob.mx [Ultimo acceso: 5 Febrero 2013].

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[25] L. Mazzotti, Manual de exploracion, Exploradores peruanos,2000.


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