Seguidor Solar para un Concentrador Parabólico Francisney Daza1, Guillermo G. Lio1, Rodolfo Echarri2 (1) Instituto de Industria. (2) Instituto Del Desarrollo Humano, Universidad Nacional de General Sarmiento (Argentina) ([email protected]) RESUMEN Se ha diseñado un sistema de seguimiento solar. Este permite aprovechar los rayos del sol que llegan a la tierra, permitiendo posicionar en tiempo real un concentrador en forma automática De esta forma, un motor tipo Stirling que se encuentra en el foco de dicho concentrador puede transformar la energía térmica en energía mecánica para luego ser transformada en energía eléctrica [Zambrano 2012]. Este es un sistema de bajo costo que puede ser aprovechado en lugares donde no sea viable utilizar otro tipo de energía. La orientación está determinada por la cantidad de energía detectada entre una u otra entrada a los sensores foto resistivos LDR. Debido al comportamiento de los sensores donde los niveles de energía que reciben producen una saturación no deseada [Creus 2004] tuvimos la necesidad de desarrollar un diafragma. Dicho diafragma permite detectar los cambios en la entrada (energía en forma luminosa), de manera que no genere esta saturación sino una señal de voltaje conocida para activar y desactivar el movimiento del concentrador en las direcciones acimutal y cenital donde se utilizarán motores de corriente continua de 12 VCC acoplados a una caja reductora, la cual transmitirá los movimientos en las direcciones mencionadas. INTRODUCCION Se desarrolla el software y hardware para la implementación del seguimiento solar del concentrador parabólico y aprovechar al máximo la luz solar. El desarrollo del software se implementó en un micro controlador [Domínguez, 1999] MC9S08SH8CPJ de Motorola [4] basándose en la medición de sensores LDR (light depend resistor, resistencia dependiente de la luz). Estos son sensores resistivos basados en semiconductores empleados para la medida y detección de radiación electromagnética [Creus, 2004]. Para esto el LDR se montó en una estructura donde se puede limitar la entrada de luz (diafragma). Para obtener una correcta medición se realizó la adaptación previa de la señal que entrega el sensor LDR. Solo con un divisor de tensión debido a que la comparación de los voltajes para la toma de decisión se hace a nivel de software Por otro lado El diafragma que se diseñó es una cubierta cilíndrica que protege de radiaciones no deseadas al LDR que pueden contribuir a una detección errónea en el sistema. Para esto se diseñó un sistema de diafragmas consistente en dos láminas finas ranuradas situadas dentro de un cilindro de longitud y diámetro conocidos lo que permite graduar la cantidad de luz que incide al sensor con la precisión adecuada. Todo el diseño se realiza sobre la base de simular el dispositivo para ver lo que implica a nivel de software e instrumentación la electrónica aplicada y poder tener el punto de partida para el diseño final del sistema completo que finalmente será incorporando al sistema mecánico. Para integrar la electrónica con la instrumentación se emplea un código de software que interpreta las salidas de voltaje de los sensores por medio de un algoritmo que termina determinando la rotación del sistema hacia un sentido u otro en el plano ecuatorial y de esta

manera realizar el seguimiento. El código del software se realizó en lenguaje C y Assembler con el compilador y ensamblador Codewarrior. Donde se implementa una lógica sencilla para seleccionar los niveles de voltaje entregados por el sensor previamente amplificados. EL POR QUE DE USAR UN SEGUIDOR SOLAR El ángulo de incidencia del sol cambia dependiendo del día y la hora en que sea medido sobre determinada latitud y longitud sobre la tierra. El desplazamiento del disco solar es de 15 grados sobre la eclíptica .Debido a estos movimientos naturales de la tierra y con la función de acumular la mayor cantidad de energía irradiada por el sol, se determina realizar el seguimiento en forma automática. Dado que el sistema de seguimiento elegido fue el ecuatorial, para el seguimiento del sol alcanza con mover el concentrador sólo en el eje del ecuador en forma motorizada, mientras que la declinación por el momento se corregirá manualmente al final de cada día El problema del que se ocupa este proyecto, es controlar el ángulo de giro de un Motor DC en función de definir la orientación un concentrador parabólico de tal manera que se optimice la adquisición de energía solar. DISEÑO DIAFRAGMA Para realizar el diseño del diafragma tuvimos en cuenta algunos criterios fundamentales. Como es de conocimiento, las estrellas se comportan como fuentes de luz, donde su distancia para notros es tan grande que al obtener el tamaño angular nos da un valor muy pequeño. Por el contrario el sol aunque esté distante, su tamaño angular nos permite un punto de partida para el diseño del diafragma ya que la distancia de la tierra al sol es conocida al igual que el diámetro. Utilizando un poco de trigonometría básica podemos calcular el tamaño angular del sol es aproximadamente 0.53º. El Sol tiene un diámetro aproximado de unos 1.4 millones de kilómetros, y está a unos 150 millones de kilómetros de la Tierra [UAI]

Grafica1. Angulo solar ecuatorial fuente: [UAI]

En el grafico 1 se ilustra la distancia de la tierra al sol y su respectivo tamaño angular, donde un triángulo rectángulo formado por cada una de las mitades del triángulo completo (se forma con el diámetro del sol con respecto a la tierra) es ɸ/2, el cateto opuesto al ángulo es d/2 y el cateto adyacente es la distancia de la Tierra al Sol (D).

  2 * arctan( d 2 * D)

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Aproximadamente tenemos 0.53º, que es la precisión minima que debemos tener para el seguimiento por que en caso contrario se estaría dejando de seguir parte del sol. El diafragma debe ser de un tamaño adecuado para el sensor que usamos (una LDR de 12 milímetros) para que quede cubierto y aislado de interferencias luminosas espurias y tener mayor control de la incidencia de los rayos solares en el sensor. Entonces teniendo las distancias como se muestran en el Gráfico 2 obtenemos de nuevo por trigonometría los valores que deseemos de ranura de entrada y largo de difusor.

Grafico2.

En esta imagen se muestra la entrada de luz por una ranura de 1mm y su respectivo ángulo de 0.53º y por trigonometría seleccionamos las distancias entre las celdillas y su respectiva altura para conservar las proporciones del ángulo, en nuestro caso tenemos una altura de la celdilla media de 6 y de la celdilla con la ranura de 12, con una distancia entre ellas de 100mm. El dispositivo debe tener como mínimo una sensibilidad igual al tamaño angular del sol. Cuando el sol se mueve hasta el extremo de la ranura (punto uno), ya el sensor A no recibe energía y el sensor B, debe tener energía en la superficie y la usamos para hacer que la rutina

Grafico3. formas reales de los elementos que contiene el diafragma

en el micro detecte la diferencia de tensión en función del valor de resistencia que tenga mayor valor, para orientar el seguimiento de trayectoria hacia el oriente u occidente ecuatorial.

Grafico 5.

Usamos aproximadamente una ranura de 1mm de ancho y 8mm de largo para construir el primer diafragma y a una distancia de 100 mm de éste se coloca un segundo diafragma formado por un semicírculo de 8 mm de diámetro. Detrás de éste último se colocará el sensor LDR. Las señales de salida de los sensores deben estar adecuadas para trabajar en voltajes de 5 volt y poder ser transmitidas al microcontrolador por una entrada analógica.

IMPLEMENTACION Como ya vimos Para controlar la dirección de rotación en eje ecuatorial se utilizaron 2 sensores (con sus respectivos diafragmas) orientados en forma adecuada. Básicamente se toman las diferencias de tensión obtenidas por cada par de sensores y dependiendo de este valor de tensión se corrige la posición del concentrador en la dirección de los rayos del sol, es decir, el sensor entregará la mayor cantidad de tensión dependiendo de la cantidad de energía luminosa que le

llegue y en función de este parámetro el sistema desarrollado tomará las decisiones programadas de ir hacia el oriente o el occidente cumpliendo son la siguiente lógica.

sensorA  sensorb sentido  0 si sensorb  sensorA sentido  1

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El sentido 0 hace que el motor por medio del drive gire en el sentido occidente, oriente siguiendo el sol hasta que la diferencia entre los dos niveles de voltaje en el sensor A y Sensor B sean igual a cero. En esa condición, inmediatamente se detiene el sistema. Los sensores entregan el voltaje del mismo nivel de alimentación del microcontrolador 0-5v. Estos dispositivos funcionan tomando la diferencia de tensión en función del cambio de la resistencia sensores LDR (light depend resistor, resistencia dependiente de la luz). Donde los sensores LDR, detectan los sentidos de seguimiento solar ecuatorial. El punto de partida para obtener las señales de los sensores es obtener 0-5 volt que ingresan al microcontrolador .para lograr esto una LDR sirve para ajustar la variación usada como un divisor de tensión con una resistencia de 1K y en función del cambio de la resistencia LDR obtener el rango de voltaje deseado (0-5v) para la entrada al microcontrolador [Creus 2004].Por otro lado La salida del microcontrolador, entrega una corriente muy chica máximo de 100mA [Motorola Data Sheet ].Para activar el relay de 12 volt 10A es necesaria una corriente mínima de 150ma. Por esta razón se acopla a cada una de las salidas usadas en el microcontrolador, un circuito que contiene un par transistor Darlington, que activan los relay, con el fin de controlar un motor de corriente continua.

Grafico 3 :se muestra la grafica de la señal para la entrada al microcontrolador y la amplificación de corriente para las salidas aparece la grafica de el amplificador operacional

Para el movimiento del concentrador en el plano de la eclíptica se utilizarán motores de corriente continua de 12 VCC acoplados a una caja reductora, la cual transmite los movimientos en las direcciones mencionadas. Los transistores Darlington que amplifican la corriente se encuentran en un encapsulado ULN2003AN que conecta cada salida amplificada a los relay de 10amperios que comandarán los bobinados del motor Trico. Como se muestra en la figura 5 Software Con el hardware resuelto, la lógica de programación se realiza en el entorno de programación CODEWARRIOR En el micro controlador sólo es necesario configurar correctamente los puertos de alimentación (pines 3,4). Los puertos de entrada salida del sistema están distribuidos en 2 puertos el A Y el B. Se configuran pines 13,14 como entradas analógicas que corresponden al puerto B donde usamos PTB2 Y PTB3 de los cuales el B lo utilizamos como puerto de entrada de los datos de voltaje suministrados por la resistencia LDR y el puerto A como salida de la información procesada de la lógica del seguidor .Lo hacemos con la sentencia PTADD=PTADD | 0x0F.

Gráfico 4. Diagrama de pines del Microcontrolador MC9S08SH8CPJ

En los puertos PTA1 y PTA2 que corresponden a los pines 18,19 del Microcontrolador se obtienen las salidas digitales para que actúen directamente sobre los transistores que enviarán señales a los relay que elevan la corriente para un adecuado manejo de las fases del motor que va realizar el movimiento según el eje ecuatorial. Se programo la siguiente secuencia de código en c para rutina completa de seguimiento solar #include /* for EnableInterrupts macro */ #include "derivative.h" /* include peripheral declarations */ #include "main_asm.h" /* interface to the assembly module */ char SensorEcuaIzq=0x00; //Valor sensor izquierdo char Senso EcuaDer=0x00; //Valor sensor derecho char DifSensoresEcua=0x00; //Diferencia de sensores

char Sentido=0x00; // Sentido de giro word T1=0x0000; void main(void) { EnableInterrupts; /* include your code here */ asm_main(); /* call the assembly function */ PTADD=PTADD | 0x0F; //Bit 0,1,2,3 del puerto A como salida PTAD=0; //Inicializa el Puerto A en cero //Inicio ADC ADCCFG=0x00; ADCSC2=0x00; for(;;) { ADConverter(); DifEcua(); // Timer, retardo para ejecutar la tarea de movimiento if (T1==0x0080) { T1=0x0000; MovEcua(); } else { T1=T1++; } __RESET_WATCHDOG(); /* feeds the dog */ } /* loop forever */ /* please make sure that you never leave main */ } void ADConverter(void) { //Rutina conversor Analógico Digital ADCSC1=0x06; //Configuro PTB2 while((ADCSC1 & 0x80)==0)//FIN DE CONVERSION { } SensorEcuaDer=ADCRL; //Guardo resultado en sensor izquierdo ADCSC1=0x07; //Configuro PTB3 while((ADCSC1 & 0x80)==0)//FIN DE CONVERSION { } SensorEcuaIzq=ADCRL; //Guardo resultado en sensor derecho } // Diferencia entre Sensores Azimut void DifEcua(void) { // Rutina de diferencia, se fija cual es mayor de ambos antes de restar if (SensorEcuaDer