Seguidor solar con sensores fotovoltaicos

1. Perteneciente A:
− Alarcón Torres, Giancarlo Alonso
Profesora:
− Revoredo Peña, Adriana Sofía
Curso:
− Metodología de la Investigación Científica
Facultad:
− FIMAAS
Especialidad:
− Ingeniería Mecánica

2. SEGUIDOR SOLAR 2013
ÍNDICE
ÍNDICE 1
Introducción 2
Capítulo 1 3
Descripción de la Realidad Problemática 3
Delimitación de la Investigación 3
Planteamiento del Problema de la Investigación 3
Problema Principal 3
Problemas Secundarios o Subproblemas 3
Objetivos de la Investigación 3
Objetivo General 3
Objetivos Específicos 4
Justificación e Importancia 4
Limitaciones 4
Limitaciones de Información 4
Limitaciones de Tiempo 4
Limitaciones Económicas 4
Definición de términos básicos 4
Diseño de la Investigación 4
Metodología de la Investigación 4
Tipo de Investigación 5
Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos 5
Procedimientos 5
Capítulo 2 6
Energía Solar y sus Diferentes Usos 6
Ventajas de la Energía Solar 7
Desventajas de la Energía Solar 7
Definición de un Seguidor Solar 7
Seguidor Solar según el tipo de movimiento 7
Seguidor de un solo eje 7
Seguidor de dos ejes 7
Seguidor Solar según el tipo de algoritmo de seguimiento 7
Según la Luminosidad 7
Con programación astronómica 8
Estructura Física del Seguidor Solar 8
Observaciones 10
Conclusiones 10
Fuentes de información 10
Anexos 11
2 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

3. SEGUIDOR SOLAR 2013
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, se evidencia como el desarrollo industrial y económico de gran
parte de las empresas conlleva a una clara expansión de los sistemas mecánicos
en potencia. En países en donde se requiere la utilización de recursos no
renovables o la combustión de materiales tales como el carbón, gas natural,
derivados del petróleo entre otros para la generación de energía, se encuentran
diferentes inconvenientes, entre los que se cuentan principalmente el impacto
ambiental y la limitada duración de estos recursos como fuente de energía. La
repercusión de la generación de energía eléctrica de manera convencional sobre
el medio ambiente se evidencia en el deterioro de la calidad del aire, además se
genera un efecto de calentamiento del planeta, conocido como efecto invernadero.
El otro gran inconveniente resulta ser el inminente agotamiento de las principales
fuentes de generación de energía convencionales, ya que el carácter de no
renovables del gas, carbón, petróleo entre otros, así como el aumento constante
de la demanda de estos materiales hace que sea una obligación buscar
alternativas para reemplazarlos.
Afrontar las necesidades energéticas de manera sostenible contribuirá en gran
medida a la solución de los retos de principio de siglo, como la pobreza, el cambio
climático, la seguridad alimentaria, etc. La convergencia actual de diversas crisis
(económica, junto con la continua volatilidad de los precios del petróleo y los
alimentos) configura un escenario adecuado para plantear una nueva formulación
de las políticas, así como para destinar mayores inversiones hacia un proceso de
desarrollo más seguro y sostenible.
Uno de los factores en los que se viene trabajando y el cual contribuirá a aumentar
la popularidad de las energías alternativas es el aumento de su uso eficiente. La
energía solar presenta un gran inconveniente en cuanto a la dificultad de su
introducción al mercado eléctrico debido al elevado costo MW/h, sin embargo se
estima que se presentará una reducción del 18% cada que la producción se
duplique. Las diferentes tecnologías de fabricación, así como la producción a gran
escala han contribuido de manera significativa a la reducción de los precios de los
módulos fotovoltaicos.
El objetivo de este proyecto es presentar el desarrollo de un prototipo que permita
realizar el seguimiento. El dispositivo que se utilizara permite aumentar la
radiación captada por el modulo solar mediante el movimiento continuo del panel.
El único inconveniente que obtuve en la investigación es hallar un sistema lógico
programable para programar los sensores con el motor.
3 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

4. SEGUIDOR SOLAR 2013
CAPÍTULO I PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1 Descripción de la Realidad Problemática
La energía solar es la energía obtenida a partir del aprovechamiento
de la radiación del sol con el cual se puede obtener energía eléctrica
(utilizando paneles fotovoltaicos) y poder aprovecharlo en diversas
cosas, por ejemplo una población que por muchos años no tienen el
servicio de electricidad en sus casas, con un panel solar fotovoltaico
podrían obtener este beneficio según la condición del clima (si los
rayos solares aparecen la mayor parte del día y del año) y para lograr
una mayor eficiencia en la absorción es donde aparece el seguidor
solar ya que si los paneles siguen al sol en todo momento los rayos
solares incidirán con un ángulo de 90° logrando así una mayor
absorción y tener un mayor aprovechamiento que un panel solar
estático.
No solo se puede usar el seguidor solar para ayudar a otras
personas de recursos bajos o que la ubicación de su hogar sea
lejana a una ciudad, sino también lo puede utilizar una persona en su
hogar para disminuir gastos de energía eléctrica.
1.2 Delimitación de la Investigación
La investigación se reduce solo en darle movimiento a los paneles
solares porque en datos experimentales se observa que la absorción
de energía no es la misma cuando aparece el sol por el oeste y se
oculta en el este. El dato que recurrió la investigación fue que los
rayos que inciden en 90°con los paneles, provocan una mayor
absorción que los que inciden en otros ángulos. Para lograr el
objetico se utilizara unos sensores de luz que activaran un
mecanismo que provocara el movimiento del panel hacía el sol cada
vez que no haya un ángulo de incidencia de 90°.
1.3 Planteamiento del Problema de la Investigación
1.3.1 Problema Principal
¿Por qué la necesidad de que los paneles solares sigan el
movimiento del sol?
1.3.2 Problemas Secundarios o Subproblemas
¿Cuál es la finalidad de que los paneles solares sigan el sol?
1.4 Objetivos de la Investigación
1.4.1 Objetivo General
Conocer la necesidad de que los paneles solares sigan el
movimiento del sol.
4 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

5. SEGUIDOR SOLAR 2013
1.4.2 Objetivos Específicos
Determinar la finalidad de que los paneles solares sigan el sol; un
ejemplo es que puede dar muchos beneficios a poblaciones rurales,
como también poblaciones que viven en muy al interior del país.
1.5 Justificación e Importancia
Se justifica que el seguidor solar es más eficiente que un panel solar
estático, por la cantidad de energía que absorben cada uno. Es por
esta razón que opte por realizar esta investigación, puesto que
traería un beneficio a la población sobre todo a poblaciones que vive
alejados a la ciudad o capital, las cuales no gozan del servicio
eléctrico en sus viviendas. Otro beneficio es llevar esta investigación
en el departamento de Puno con el objetivo de utilizar la electricidad
para encender calefactores, sobre todo en temporada de invierno en
donde llegan a temperaturas bajo cero. Este beneficio se pondrá en
investigación posteriormente.
1.6 Limitaciones
1.6.1 Limitaciones de Información
La única información que no he tenido acceso es como hacer la
programación de un controlador lógico programable (PLC) para que
los sensores puedan activar al mecanismo que provocare el
movimiento del panel.
1.6.2 Limitaciones de Tiempo
El tiempo es una limitación para la investigación, ya que tendría que
dejar algunas labores, como ir a la universidad y/o otras labores
personales.
1.6.3 Limitaciones Económicas
1.7 Definición de términos básicos
Fotovoltaico.- material o dispositivo que convierte la energía luminosa
en electricidad.
PLC.- son dispositivos electrónicos usados en automatización.
Azimut.- es el ángulo que forma el horizonte con el punto cardinal
Norte.
1.8 Diseño de la Investigación
1.8.1 Metodología de la Investigación
Generales.- se obtiene de un análisis, porque en el transcurso del día
se observó que la absorción de los rayos solares no es la misma en
todo momento.
5 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

6. SEGUIDOR SOLAR 2013
1.8.2 Tipo de Investigación
Mixta.- Porque se recurrió a bibliografías del curso de física en
especial al tema de ondas y óptica, en donde se encontró una
solución al problema de la eficiencia de absorción.
1.8.3 Técnicas e Instrumentos de Recolección de Datos
Análisis de Documentos. – Porque se acudió a bibliografías para
encontrar alguna teoría y dar solución al problema. También se
consultó en algunas revistas obtenidas de la página web Redalyc.
Observación Directa.- En conjunto con el análisis ayudo a determinar
el problema de absorción de rayos y a partir de ella dar la solución
desde una nueva perspectiva.
Internet.- Algunas informaciones fueron recopiladas de páginas web
Redalyc que tienen una información de gran confiabilidad.
1.8.4 Procedimientos
Planeación.- Las celdas solares sirven para absorber energía solar y
convertirla en electricidad, y para que el nivel de electricidad sea lo
más constante en todo momento se determinó en colocar un sensor
de luz para poder seguir el sol en todo momento y que los rayos
incidan en un ángulo de 90° logrando así la mejor absorción durante
el día. La realización de los seguidores solares no tiene un gasto muy
alto por lo que se puede utilizar en algunas zonas en donde el sol
aparece la mayor parte del año y porque no con esta nueva
obtención de electricidad poder brindarlas en zonas rurales.
Recopilación.- Para determinar el problema de absorción se investigó
en libros y en algunas revistas científicas de Redalyc, se pudo
obtener algunos datos para la solución y como poner en marcha
cada cambio de los paneles solares a un seguidor solar.
6 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

7. SEGUIDOR SOLAR 2013
CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO
2.1 Energía Solar y sus Diferentes Usos
Existen fuentes de energía que por su carácter de renovables o por
la enorme cantidad de reserva de la que se dispone pueden ser
consideradas ilimitadas, es el caso del sol. Este se comporta como
un proceso de fusión nuclear, en donde se unen los núcleos de
átomos ligeros como el hidrogeno y el helio, liberan grandes
cantidades de energía radiante que llegan hasta la superficie del sol
pasando de unos 20 millones de grados centígrados a unos 6000
grados centígrados. Toda esta energía viaja por la atmosfera; en este
punto del camino se filtran los rayos ultravioleta gracias a la acción
de la capa de ozono.
El sol es la principal fuente de energía para los procesos biológicos
del planeta, de esta manera el ser humano ha dependido de este sin
darle la importancia que representa en las actividades humanas. En
este sentido, la calefacción fue uno de los primeros usos de la
energía solar, sin embargo, la utilización de combustible para este
mismo fin reemplazo y limito hace unos 2500 años la posibilidad de
expandir la energía solar como fuente importante en las actividades
que requieren energía calorífica, debido a que la quema de
combustibles presentaron una mayor eficiencia y facilidad en la
manipulación.
La cantidad de energía solar recibida anualmente por la tierra es
1.5x1018 KWh, representa 10000veces el consumo de energía en ese
mismo periodo, esto se interpreta como que además de que el sol es
el actor principal de los procesos biológicos en la tierra, este puede
ser considerado una fuente inagotable de energía la cual puede ser
aprovechada mediante un adecuado sistema de captación y
conservación a otro tipo de energía, por ejemplo energía eléctrica,
térmica entre otras.
2.1.1 Ventajas de la Energía Solar
La energía solar es una de las alternativas energéticas más
importantes en la actualidad, esta ofrece una serie de ventajas tales
como:
• Utiliza recursos naturales inagotables, la luz solar.
• Es una energía limpia que no genera emisiones de gases
contaminantes ni otro tipo de residuos.
• Es una solución ideal para disponer de electricidad en zonas
aisladas.
• Es la única energía renovable que puede instalarse a gran
escala dentro de las zonas urbanas.
• En el caso de instalaciones conectadas a la red, hay
subvenciones públicas y primas a la producción.
7 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

8. SEGUIDOR SOLAR 2013
• Los paneles y la estructura de soporte pueden desmontarse al
final de la vida útil, pudiendo reutilizarse.
2.1.2 Desventajas de la Energía Solar
Entre los inconvenientes no comparables con los de las fuentes de
energías convencionales y más bien propias de las instalaciones y
parques solares, se encuentran:
• El impacto visual de los parques solares, que suelen ocupar
grandes superficies de captación.
• Solo se produce energía mientras hay luz y depende del grado
de insolación.
• El costo de las instalaciones es elevado, sobre todo si se
compara con otro tipo de instalaciones que generen la misma
potencia.
• El periodo de amortización de la inversión es largo.
• El rendimiento es bastante bajo, debido a la baja eficiencia de
las células solares, en muchos casos inferior al 40%.
• El tiempo que deben esperar, según manifiesta la Asociación
de la Industria Fotovoltaica.
2.2 Definición de un Seguidor Solar
Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los
paneles solares de forma que estos permanezcan aproximadamente
perpendiculares a los rayos solares, siguiendo al sol desde el oeste
en la alborada hasta el este en la puesta.
2.3 Seguidor Solar según el tipo de movimiento
2.3.1 Seguidor de un solo eje
La rotación de la superficie de captación se hace sobre un solo eje,
este puede ser horizontal, vertical u oblicuo. Este tipo de seguimiento
representa un mínimo grado de complejidad y su costo es menor en
comparación con otros tipos de seguidores. La limitación de este tipo
de seguidor consiste en que no puede realizar un seguimiento
completo del sol ya que solo puede seguir la azimut o la inclinación
solar, pero no ambas.
2.3.2 Seguidor de dos ejes
Este tipo de seguidor cuenta con dos grados de libertad y está en
capacidad de realizar un seguimiento total del sol, tanto en
inclinación como en azimut, aunque el rendimiento de la instalación
puede ser superior en comparación con los de un solo eje, es
importante mencionar que el de dos ejes resulta ser más costoso.
2.4 Seguidor Solar según el tipo de algoritmo de seguimiento
2.4.1 Según la Luminosidad
8 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

9. SEGUIDOR SOLAR 2013
El algoritmo de este tipo de seguidor basa su funcionamiento en la
señal entregada por uno o varios sensores, dependiendo de dicha
señal se envía un comando de control a uno o varios motores para
que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad. Este
tipo de seguimiento resulta ser de fácil implementación.
2.4.2 Con programación astronómica
Este tipo de seguidor presenta una total independencia de las
condiciones climáticas ya que su algoritmo no requiere de sensores
que indiquen cual es el punto más luminoso. El seguimiento en este
caso depende únicamente de una serie de ecuaciones que predicen
la ubicación del sol en cualquier momento. Aunque este tipo de
seguidor resulta ser de gran precisión cabe mencionar que la
implementación del algoritmo representa un alto grado de
complejidad.
2.5 Estructura Física del Seguidor Solar
Las dimensiones del panel solar fotovoltaico que se utiliza para la
aplicación particular del prototipo del seguidor solar, es de 14x20 cm.
Este tamaño define el espacio comprendido entre los pilares
principales que sostiene el panel.
En primera instancia se encuentra la base, que comprende tres
laminas rectangulares de madera triplex unidas, con las dimensiones
necesarias para albergar la totalidad de dispositivos del sistema
incluyendo el panel solar fotovoltaico, la parte superior de estos se
encuentra perforada con el objetivo de darle paso al eje. Ver anexo 1.
El eje que pasa a través de los agujeros de los pilares principales
posee en uno de sus extremos un acople que es útil al motor que
mueve al eje. El acople está compuesto por 4 láminas cuadradas de
dimensiones de 7x7 cm. Este tamaño depende del piñón del motor y
de la forma que tenga. En este caso el piñón que va encajado al
motor es en forma de estrella. Ver anexo 2.
Para permitir que el panel solar fotovoltaico sea sostenido por el eje,
se utiliza un par de piezas de madera y un contrapeso, necesario
para mantener el equilibrio. Este debe tener igual peso que el panel.
El peso del panel solar es de 0.63 Kg y para obtener un contrapeso
de esa magnitud es necesario unir láminas de madera con
dimensiones igual al panel. Ver anexo 3.
El motor que mueve el panel solar debe estar sostenido por una
pieza que le pueda brindar firmeza en el momento en que entre en
acción. Ver anexo 4. Se evidencia nuevas piezas que contienes la
estructura del seguidor solar; el soporte lateral y el transversal, este
último es donde descansa el motor; la pieza de presión evita que el
9 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

10. SEGUIDOR SOLAR 2013
motor se salga del acople y las cuñas impide que el motor se salga
hacia los lados.
A partir de dos celdas fotovoltaicas independientes al panel solar, se
puede manejar la posición del panel. La diferencia de voltaje entre
las celdas determina la inclinación con respecto al punto en el que se
encuentra el sol. La manera en que se puede configurar las celdas
para este objetivo es como se muestra en el Anexo 5.
10 Alarcón Torres, Giancarlo Alonso

11. SEGUIDOR SOLAR 2013
El algoritmo de este tipo de seguidor basa su funcionamiento en la
señal entregada por uno o varios sensores, dependiendo de dicha
señal se envía un comando de control a uno o varios motores para
que se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad. Este
tipo de seguimiento resulta ser de fácil implementación.
2.4.2 Con programación astronómica
Este tipo de seguidor presenta una total independencia de las
condiciones climáticas ya que su algoritmo no requiere de sensores
que indiquen cual es el punto más luminoso. El seguimiento en este
caso depende únicamente de una serie de ecuaciones que predicen
la ubicación del sol en cualquier momento. Aunque este tipo de
seguidor resulta ser de gran precisión cabe mencionar que la
implementación del algoritmo representa un alto grado de
complejidad.
2.5 Estructura Física del Seguidor Solar
Las dimensiones del panel solar fotovoltaico que se utiliza para la
aplicación particular del prototipo del seguidor solar, es de 14x20 cm.
Este tamaño define el espacio comprendido entre los pilares
principales que sostiene el panel.
En primera instancia se encuentra la base, que comprende tres
laminas rectangulares de madera triplex unidas, con las dimensiones
necesarias para albergar la totalidad de dispositivos del sistema
incluyendo el panel solar fotovoltaico, la parte superior de estos se
encuentra perforada con el objetivo de darle paso al eje. Ver anexo 1.
El eje que pasa a través de los agujeros de los pilares principales
posee en uno de sus extremos un acople que es útil al motor que
mueve al eje. El acople está compuesto por 4 láminas cuadradas de
dimensiones de 7x7 cm. Este tamaño depende del piñón del motor y
de la forma que tenga. En este caso el piñón que va encajado al
motor es en forma de estrella. Ver anexo 2.
Para permitir que el panel solar fotovoltaico sea sostenido por el eje,
se utiliza un par de piezas de madera y un contrapeso, necesario
para mantener el equilibrio. Este debe tener igual peso que el panel.
El peso del panel solar es de 0.63 Kg y para obtener un contrapeso
de esa magnitud es necesario unir láminas de madera con
dimensiones igual al panel. Ver anexo 3.
El motor que mueve el panel solar debe estar sostenido por una
pieza que le pueda brindar firmeza en el momento en que entre en
acción. Ver anexo 4. Se evidencia nuevas piezas que contienes la
estructura del seguidor solar; el soporte lateral y el transversal, este
último es donde descansa el motor; la pieza de presión evita que el
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