UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN FACULTAD POLITÉCNICA POSICIONADOR DE PANEL SOLAR GUIADO POR TRAYECTORIA Autores: Carlos Waimberg Hector Paredes Oscar Zaracho Orientador: Ing. Lucas Frutos [email protected][email protected][email protected]Palabras claves: panel solar, monitorización, trayectoria solar
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Paper Posicionador Solar utilizando controlador Pic 16f877
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UNIVERSIDAD NACIONAL DE ASUNCIÓN
FACULTAD POLITÉCNICA
POSICIONADOR DE PANEL SOLAR GUIADO POR TRAYECTORIA
Autores: Carlos Waimberg Hector Paredes Oscar Zaracho
Para la mayor parte de los cálculos, es suficientemente precisa la aproximación:
αλαλ sentsenu hx cos15coscos −=
hy tsenu 15cosα=
αλαλ cos15coscoscos sentu z +=
Donde:
��
���
�= dtsensenarcsen365360λα
dt Día del año contado a partir del equinoccio de primavera. Para el día 21 de
marzo, 1=dt .
ht Hora solar.
Z
su�
Y (este)
X (sur)
2 MATERIALES Y MÉTODOS
El prototipo diseñado consta principalmente de un Microcontrolador PIC 16F877, una
estructura de soporte, donde posa el panel solar, una computadora para el control y
recepción de datos. En el diagrama en bloque Fig. 5, podemos observar el panel
solar, a base de silicio de dimensiones 100x70mm, el cual esta conectado al puerto
de entrada del conversor ADC del PIC.
El sistema de mecánico del posicionador está construido con materiales reciclados, los
soportes de motores del panel están hechos con una carcasa, en este un caso un
reproductor de CD. Para su ensamblado se utilizó tornillos, tuercas, y pegamento. .
Además en toda esa estructura están montados dos sensores de fin de carrera
mecánicos, que posibilitan establecer la referencia a la hora del posicionamiento
inicial. Las señales provenientes de dichos sensores se envían al microcontrolador.
El microcontrolador tiene la función de recibir la señal eléctrica (tensión de la celda
fotovoltaica) para realizar la conversión digital de la misma a través de su ADC
interno, luego el dato es procesado y enviado a la PC para su posterior visualización.
Para tal comunicación se utiliza el circuito integrado MAX-232, el cual cumple la
función de adaptar el nivel de tensión entre el puerto de comunicación de la PC y el
microcontrolador según el protocolo estándar RS 232. Se puede observar en el
diagrama que la interacción entre la PC y el microcontrolador es bidireccional puesto
que el sistema es comandado por un software desarrollado para el mismo, donde
también se hace la visualización antes mencionada Fig. 4. El software está
desarrollado en Visual Basic 6.0.
Fig. 4 -Diagrama en bloque del sistema.
MICROCONTROLADOR
PIC
PC
CONTROLADOR DE MOTOR MOTOR
Panel solar
Posicionamiento del Panel Solar
Al conversor ADC del PIC
Comunicación Serial-RS 232
El proceso de los datos, para el control de posicionamiento, el PIC lo hace mediante
el vector de trayectoria solar (*); consecuentemente toma la decisión de activar el
motor que gobierna azimut o elevación, de igual manera controla el ángulo de giro de
los mismos, donde cada ángulo está asociada al vector de posición. Toda esta cinética
de motores se realiza mediante un módulo de potencia constituido por dos drivers
LB1845. El módulo se encarga de adaptar los niveles de señal del microcontrolador
para el funcionamiento de los motores.
Para el sistema diseñado, los dos motores utilizados son de paso (EPSON EM-258)
con aproximadamente 1,15 grados por cada paso; gracias a esta resolución se logra
que el sistema sea bastante preciso a la hora de realizar el posicionamiento del panel.
Fig. 5- Software de control y monitorización.
3 RESULTADOS.
El módulo controlador consta de dos placas. La primera contiene el microcontrolador y
fue diseñada utilizando el software EAGLE versión 4.13; el mismo es un CAD para
diseño de circuitos electrónicos. La otra placa contiene el módulo de potencia para los
motores; ésta fue reciclada de una impresora EPSON Stylus Color 400 al igual que
los motores de paso. La mecánica del posicionador fue construida, como se mencionó
en la sección anterior, con materiales reciclados, obteniéndose así un sistema
totalmente desmontable. El sistema mecánico se observa en la foto de la Fig. 6.
Visualización del nivel de tensión del Panel Solar
Fig. 6- Sistema Mecánico
Para poner en funcionamiento el sistema, primero se posiciona automáticamente el
panel o sea, se orienta el mismo mediante su sistema mecánico hacia el este,
pulsando el botón “Pos-inicial” (ver FIG 5.). Luego que se haya orientado el panel
hacia el este, el sistema se pone en espera para el inicio de la descripción de la
trayectoria. Una vez que se pulsó el botón “start”, el sistema empieza a funcionar y a
enviar los datos de la conversión realizada por ADC a la PC para su posterior
visualización. Una vez que el sistema se haya puesto en marcha, el microcontrolador
realizará una actualización de la posición cada 15 min, tanto azimut como elevación.
El sistema tiene una funcionalidad flexible, debido a que puede ser modificado para
que sea utilizado en cualquier punto de la superficie terrestre y en cualquier época del
año, pues en el microcontrolador se encuentra modelada la trayectoria solar por medio
del vector de posición aparente del sol descripto al inicio. Para dicha modificación, de
funcionalidad, el sistema puede ser actualizado mediante el software de control en la
PC. Además se puede observar los datos de azimut y elevación en un sector de la
pantalla del software, con esto se puede verificar el movimiento del sol con respecto a
la Tierra y observar como cambia la posición del astro dependiendo de la estación y a
medida que transcurre el tiempo.
PANEL SOLAR
SENSORES DE FIN DE
CARRERA
MOTOR HORIZONTAL
(AZIMUT)
FIG. 7- Curva de Energía
4 DISCUSIÓN Y CONCLUSIÓN
Para iniciar este proyecto se procedió a verificar el comportamiento de la ecuación del
vector de trayectoria solar, para lo cual generamos una tabla de fórmulas y variables
en EXCEL donde se podía verificar la variación de los ángulos de azimut y elevación
a medida que trascurría el tiempo (8 AM – 17 AM) y se comprobó que los resultados
eran bastante aproximados y coherentes. Mediante estos datos generados se realizó
el algoritmo necesario para modelar y adaptar al microcontrolador de modo a
controlar el sistema posicionador.
A la hora de la programación del PIC, con lenguaje C, se debía hacer correctamente la
asignación de bancos pues los cálculos extensos y complejos a veces desbordaba la
asignación por defecto que realizaba el compilador.
Por otra parte surgió otro inconveniente al configurar el USART, pues el texto en inglés
del datasheet del PIC fue interpretado erróneamente en un principio; el mismo
proponía setear los pines de transmisión y recepción, es decir establecer los dos como
entrada. Pero luego se probó la otra interpretación posible, que sugería configurar el
pin de recepción como entrada y el pin de transmisión como salida con otros arreglos,
de ese modo se logró el buen funcionamiento de la comunicación serial.
De manera a adoptar un solo esquema y de la manera más sencilla, tanto en Visual
Basic como en C, con el protocolo RS 232; se optó por trabajar exclusivamente con
caracteres de manera que un dato numérico se convertía a cadena para su posterior
envío en ambas direcciones.
Cabe destacar que en el posicionamiento inicial también se realiza una corrección
aproximada de 3 grados con respecto a la elevación del panel, debido a un efecto
conocido como aberración cromática que aparenta el sol más elevado de lo que se
encuentra cerca del horizonte, debido a la refracción de la luz en la capa atmosférica.
Todas las prestaciones del sistema están enfocadas hacia estudios meteorológicos
pues se puede mejorar el software de la PC para generar una base de datos de
manera a tener un registro del comportamiento radiaciones solares durante ciertas
épocas del año, determinar el comportamiento de trayectoria solar; así también
analizar la incidencia de radiación solar en ciertas áreas, factor importante a la hora de
determinar la factibilidad y rentabilidad de la instalación de una planta generadora de
energía eléctrica.
Por último recordamos que este sistema de seguimiento mejora el rendimiento del
panel solar, lo cual nos permite adquirir mayor cantidad de energía bajo las mismas
condiciones ambientales y en el mismo día Fig. 7. Pues se logra ensanchar la curva
de Gauss de adquisición de energía, comprobando que el pico máximo de energía se
obtendrá cerca del medio día.
5 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Universidad de Jaén – Grupo IDEA. Curso de Paneles Disponible en www.ujaen.es [2] Disponible en www.instalacionenergiasolar.com [3] Energia Solar – José Doria Rico/María Cruz de Andrés Garcia/Carlos Armenta Deu