La energía es una de las l as problemáticas que definirán el destino de México y el mundo en el siglo que comienza. Lo que hagamos o dejemos de hacer a partir de ahora determinará nuestra capacidad para satisfacer los requerimientos energéticos del país, en el futuro. Como se sabe las fuentes primarias de energía que dominan en el mundo son los hidrocarburos y en la actualidad corresponden al 80.8% de toda la energía primaria producida y consumida. En México, la dependencia es mayor, en el año 2007, el 92% de la producción de energía primaria correspondió a combustibles fósiles, (67% petróleo, 23% gas y 2% carbón). Ante esta situación energética mundial y nacional, México requiere un cambio de paradigma energético. Los recursos energéticos renovables son afortunadamente afortunadamente muy abundantes en el planeta. Solo como un ejemplo de la abundancia de las fuentes de energías renovables, baste decir que la energía solar recibida cada 10 días sobre la Tierra equivale a todas las reservas conocidas de petróleo, carbón y gas. Los paralelos 40oN y 35oS definen la llamada “Franja Solar” que tiene la peculiaridad de albergar al 70% de la población mundial y recibir la
mayor cantidad de energía solar del planeta. México queda dentro de esta franja y su potencial de aprovechamiento de energía solar es uno de los más altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del territorio nacional son zonas con una insolación media del orden de los 5 KWh/m 2 al día. ¿Cómo se aprovecha la energía solar? Empecemos diciendo que la energía solar es energía electromagnética emitida por nuestra estrella más cercana: el Sol, que al interaccionar con la materia dicha energía es transformada en otras formas de energía. Existen varios mecanismos naturales que transforman a la energía solar en alguna otra forma de energía útil para el ser humano. Entre esos mecanismos se encuentran los físicos, los químicos y los biológicos. Las tecnologías que se han desarrollado para la conversión de la energía solar en energía utilizable por el hombre, dependen sustancialmente de la disponibilidad de la radiación solar que varía de manera importante en los diferentes climas y regiones. Para seleccionar y diseñar la tecnología más apropiada para una región en articular, se tiene como necesidad básica el caracterizar los diversos aspectos de la l a radiación solar en esa región. Datos confiables de radiación directa normal y de radiación global son necesarios para el dimensionamiento de una gran cantidad de energía solar así como para el estudio comparativo de sitios de ubicación de los sistemas. Estos datos de radiación solar deberán estar disponibles junto con otros parámetros meteorológicos como la temperatura ambiente, temperatura de bulbo húmedo y velocidad del viento, los cuales también pueden afectar el comportamiento de algunos tipos de sistemas solares. 1
Ventajasdelaenergíasolar. 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 del sol. Es una energía limpia que no genera emisiones de gases contaminantes ni otro tipo de residuos. Es una solución ideal para disponer de electricidad el ectricidad en zonas aisladas. Es la única energía renovable que puede pue de instalarse a gran escala dentro de las zonas urbanas. Los paneles y la estructura de soporte pueden desmontarse desmontarse al final de la vida útil, pudiendo reutilizarse.
Desventajasdelaenergíasolar . 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. • Sólo 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, de unos diez años. •
En el año 1954, ingenieros i ngenieros de la NASA (EEUU) desarrollaron el primer panel solar fotovoltaico para uso espacial. Su aplicación inicial era la de alimentar autónomamente los equipos de comunicaciones de los satélites. A mediados de los 70, un grupo de Ingenieros de la NASA, desarrollaron en un laboratorio de Estados Unidos el primer panel solar fotovoltaico, para uso en aplicaciones terrestres. Como consecuencia de estos prototipos, se comenzó la fabricación a nivel industrial de los primeros módulos fotovoltaicos. La potencia de estos primeros equipos tenían una potencia máxima del orden de 30 w, w , un tamaño de 0,3 metros cuadrados y estaba formado por 36 células monocristalinas redondas de 3 pulgadas, 6 cm de diámetro. 2
Inicialmente, a aplicación terrestre de éstos paneles era cubrir las necesidades de alimentación eléctrica de aquellos dispositivos con dificultades de disponer de energía eléctrica convencional., y de pequeña potencia. Las primeras aplicaciones solares se centraron en:
Proporcionar energía eléctrica en viviendas aisladas. Sistemas de comunicaciones en los montes (Telefónica, Ejército, TV, etc.). Sistemas de regadío. Postes de auxilio en carreteras (Postes SOS). Señalización marítima (faros)
En el año 1981 Arco Solar (USA) sacó al mercado el primer panel de célula cuadra de 4 pulgadas (10 cm de lado). Con esto se conseguía una mayor potencia por unidad de superficie, alcanzando potencia de hasta 47 w con la misma superficie. A continuación y rápidamente salió al mercado la célula de 5 pulgadas (12,5 cm) y 6 pulgadas (15,0 cm). Con ésta célula la potencia de los paneles alcanzaron los 110-120w de potencia nominal, utilizando para ello 36 células por panel, con una medida del mismo de 100 cm x 140 cm. Estos módulos, durante varios años, fueron standar en el mercado mundial, y durante éstos años y en paralelo, se incrementaba la potencia de las células, consiguiendo así un rendimiento del orden de 15%, hasta los valores actuales dónde ésta célula de 6 pulgadas, puede producir de 4,3 a 4,4 w. Aproximadamente a mediados de los 90, se desarrolló la célula de 8 pulgadas (20cm x 20cm), pero las dimensiones de éste módulo, de momento, hacían inviable la comercialización de los mismos. Finalmente y ante el incremento de las aplicaciones y de la potencia exigida por las mismas, a partir de 1993 se comenzaron a fabricar, con éstas células, los paneles de 24 Vcc, colocando para ello, 60-72 células en serie para alcanzar la tensión necesaria. Como resultado de esto, tenemos actualmente los paneles standard, que están compuestos por 60-72 células, alcanzan una potencia comercial máxima del orden de 310w y tienen unas medidas del orden de los dos metros cuadrados.
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Elautoconsumosolar . El concepto varía sensiblemente al de las Plantas solares. Éstas generan electricidad y la energía generada se interconecta con la Red General de Electricidad, que se suma a la electricidad generada por medios convencionales, como las centrales Nucleares, carbón y ciclo combinado. El concepto del AUTOCONSUMO solar, consiste en consumir directamente la energía que se produce con los paneles solares, fundamentalmente en el mismo lugar dónde se produce dicha energía. Las instalaciones son normalmente de baja potencia, inversión reducida y por lo tanto aplicable a un gran número de usuarios potenciales. Actualmente la aplicación más importante son las viviendas unifamiliares y pequeñas industrias. Ante el efecto que la masificación de éste tipo de instalaciones, las Compañías eléctricas, están haciendo los máximos esfuerzos, para evitar el desarrollo de éste tipo de aplicación. 4
Se considera una buena instalación fotovoltaica aquella que se encuentra perfectamente dimensionada y que nunca se encontrará con deficiencias de suministro eléctrico por parte de los paneles fotovoltaicos y demás accesorios de la instalación. Para lograr esto tenemos que saber las necesidades energéticas que va a necesitar la instalación para poder calcular así, el número adecuado de paneles fotovoltaicos necesarios para dicha instalación. Nunca se debe colocar ninguna instalación sin haber realizado y c omprobado estos cálculos, ya que si no se han realizado llevará a un total fracaso de la instalación y, en consecuencia, una desacreditación injusta de este método de obtener electri cidad. Una vez que hemos transformado la energía solar en energía eléctrica mediante los paneles fotovoltaicos, tenemos que pensar en cómo guardar esta energía para aquellos momentos en que la energía que obtenemos no es la suficiente, ya que las condiciones meteorológicas pueden ser adversas o porque no podamos obtener energía, por ejemplo en las horas de oscuridad nocturnas. Los acumuladores son los dispositivos capaces de almacenar la energía eléctrica que no estamos utilizando en un momento dado en energía química, que posteriormente podremos transformar en eléctrica. Están constituidos principalmente por dos electrodos sumergidos en un líquido denominado electrólito, en el cual se producen las reacciones químicas. No todos los acumuladores son iguales; los más conocidos son los acumuladores o las baterías de los automóviles. Las baterías para instalaciones fotovoltaicas deben estar capacitadas para aceptar todas las corrientes de carga que suministre el panel fotovoltaico, tener un mantenimiento prácticamente nulo y ser de fácil transporte, tener una baja autodescarga, un rendimiento elevado y una vida larga. Para las instalaciones fotovoltaicas podemos encontrar baterías que tengan alguno de sus electrodos de plomo; se les denomina acumuladores de plomo-ácido y las hay de dos tipos: las baterías de descarga superficial, cuya descarga oscila entre un 10 y 15% y las baterías de descarga profunda, que son aquellas que sin deteriorarse pueden alcanzar un nivel de descarga de un 80%, como las baterías de plomo-antimonio. Otro tipo de baterías empleadas en las instalaciones fotovoltaicas son aquellas cuyos electrodos son de óxido de níquel y de óxido de cadmio, denominadas baterías de níquel-cadmio. Las diferencias fundamentales entre las baterías de plomo y las de níquel-cadmio son que éstas últimas tienen una resistencia interna más baja, por lo que pueden estar sometidas a descargas más elevadas. La tensión, por elemento de descarga es más estable y tienen una vida más larga y pueden aguantar temperaturas más bajas. En contraposición, son más caras que las de plomo. La vida de una batería es el número de veces que puede producir una carga-descarga. Se mide en ciclos y depende del espesor de las placas, de la concentración del electrólito, pero, principalmente, de la profundidad de descarga de la batería, que es el grado de consumo energético que sufre el acumulador en una descarga. Su valor se expresa en tanto por ciento. En función de estas características, se están realizando hoy en día 5
numerosos estudios para optimizar el rendimiento y mejorar las baterías en las instalaciones fotovoltaicas. Una vez seleccionada la batería que se va a utilizar en la instalación fotovoltaica, debemos calcular adecuadamente el número de batería que necesitamos según las condiciones que el diseñador haya dispuesto, para lo que habrá tenido en cuenta: la tensión de funcionamiento, el número de días de autonomía, la descarga máxima al final de los días de autonomía, la temperatura media de funcionamiento, la temperatura mínima, los días consecutivos en los que se pueden producir bajas temperaturas, la facilidad de acceso de montaje y mantenimiento de las baterías en la instalación, así como el regulador utilizado. Este dispositivo es el que determina la entrada de electricidad en las baterías procedente de los paneles fotovoltaicos para la conservación de éstas. Los módulos proporcionan más electricidad de la que los acumuladores pueden conservar. Para poder cargar adecuadamente los acumuladores, teniendo en cuenta todas las pérdidas, siempre llega más electricidad a la batería que la que puede acumular. Existen dos tipos de reguladores:
shunt o paralelo; son aquéllos que se colocan en paralelo entre los paneles y las baterías, detectando así la tensión en bornes de las baterías. Cuando detecta la tensión prefijada en las baterías crea un camino alternativo de baja resistencia evitando así que se siga cargando la batería. serie; son aquellos que desconectan las baterías cuando éstas alcanzan el estado de máxima carga.
Los reguladores son necesarios si los paneles fotovoltaicos no son autorregulados. Ciertos paneles fotovoltaicos son capaces de cargar las baterías y cuando estas llegan al 90% de su estado de máxima carga, hacen que la intensidad generada en el panel sea mínima, llegando a ser nula cuando las baterías se encuentran al máximo de carga. Los elementos comentados hasta el momento son los imprescindibles en cualquier instalación fotovoltaica; además de éstos, la instalación puede disponer de sistemas electrónicos de control y medida, principalmente en la producción de electricidad de los paneles y en el estado de carga de las baterías, con alarmas luminosas o acústicas que nos avisan del defectuoso funcionamiento de la instalación. En el caso de que la instalación se encuentre en lugares desatendidos, los sistemas de control son diferentes; no existen alarmas, ya que nadie las podría detectar. Estos sistemas de control se utilizan principalmente para evitar que las baterías se sobrecarguen, diseñándose de tal forma que el propio sistema electrónico de control, interrumpa momentáneamente la carga de la batería durante el tiempo en el cual la tensión de la batería es la misma que la tensión prefijada en el sistema de control. La optimización de una instalación fotovoltaica es, sin duda, el objetivo de cualquier proyectista de instalaciones fotovoltaicas. El cálculo del número de módulos fotovoltaicos, baterías, reguladores y demás accesorios de la instalación se puede realizar de formas diversas, pero todos estos métodos, si son eficaces, deben estar diseñados cumpliendo el 6
principio energético: sólo puedo gastar la energía que tengo. Por lo tanto, los cálculos se realizan en función de la demanda energética diaria y de la radiación solar, cantidad de energía recibida del Sol, del lugar donde se vaya a ubicar la instalación.
RADIACIÓN SOLAR. La radiación solar es importante para aplicarse en el sector de la agricultura, ingeniería, monitoreo del crecimiento de las plantas, análisis de la evaporación e irrigación, arquitectura y diseño de edificios. También en la generación de electricidad. Esta radiación es la energía emitida por el sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esta energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. El sol es una fuente de energía limpia, inagotable y gratuita. Su transformación en electricidad o calor se lleva a término en el mismo lugar de consumo, evitando así depender de infraestructuras de terceros. La energía solar llega en forma de radiación electromagnética o luz. Esta radiación son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas no necesitan un conductor para propagarse, porque atraviesan el espacio interplanetario y llegan a la tierra desde el sol y las estrellas. La longitud de onda (ʎ) y la frecuencia (f) de las ondas electromagnéticas, relacionadas en la expresión , que corresponde a la velocidad de la luz. Independientemente de su frecuencia y longitud de onda, todas las ondas electromagnéticas, se desplazan en el vacío a una velocidad de C= 299 792 (Km/s), para determinar su energía, su visibilidad, su poder de penetración y otras características.
ʎ=
Radiaciónsolaraniveldelsuelo. El componente energético de la radiación solar, se introduce en las diferentes capas de la atmosfera terrestre, va disminuyendo por la reflexión y absorción por parte de los diferentes elementos, que componen la atmosfera de polvo, oxigeno, vapor de agua, nitrógeno, etc. Las longitudes de la radiación solar al nivel del suelo están comprendidas entre 0,29 y 2,5 µm. Por otra parte, el espesor de la atmosfera, que atraviesan los rayos solares influye en la energía disponible a nivel de la corteza terrestre. En otras palabras, desde los puntos del horizonte orto y ocaso, estos rayos a nivel del suelo son mayores que desde el CENIT. 7
Se realiza un balance energético, considerando la atmósfera anual. Para conocer la energía radiante teórica que llega a la atmósfera exterior.
1367 = 4 =342 Este valor promedio anual de energía radiante térmica, es la energía que recibe la atmósfera terrestre.
Inclinacióndelplanoreceptor( β ). Es el ángulo formado en la superficie del plano y el plano horizontal en un rango de -90° ≤ β ≤ 90°.
La pendiente del plano inclinado con respecto a la horizontal, donde incide la radiación tiene un intervalo de 0° ≤ β ≤ 90°. Si la superficie del plano está en dirección hacia arriba, el ángulo de inclinación corresponde a un intervalo de 90° ≤ β ≤ 180°, de igual manera sucede si la superficie del plano, está en dirección hacia abajo. Una azotea horizontal tienen un ángulo de inclinación de β=0, mientras que una pared vertical, β=90°.
Variacióndelángulohorario( ). Desplazamiento angular del sol, desde el este al oeste del meridiano local, debido a la rotación de la tierra con una velocidad angular de 15° por hora, con un total de 360° en 24 horas. El valor es negativo por las mañanas y positivo por la tarde. Para considerar el mediodía solar, corresponde a las 12 horas; a las 10 horas le corresponde . El mediodía solar es, por definición Se debe observar que, debido a los movimientos del sol hacia el norte se tiene la primavera y hacia el sur se tiene el otoño. La salida y la puesta del sol no corresponden, en general, a y , respectivamente. Esto sucede únicamente en los equinoccios de alguna latitud y en el ecuador de cualquier fecha, como se muestra en la siguiente tabla:
=60°
=0°.
=−90° =90°
Valores del ángulo horario ( ).
8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 14:30
=−60° =−45° =−30° =−15° = 0° =+15° =+30° =+37.5°
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Ángulodelatitudsolaroelevaciónα. Este ángulo se forma con la radiación directa del sol y el plano horizontal o ángulo complementario del ángulo cenital solar. . Este ángulo mide la desviación del sol respeto a la horizontal, denominada elevación.
= 90° −
Latitudϕ. Corresponde a la latitud Geográfica, la posición angular del lugar donde se encuentra el dispositivo plano, se forma en el lugar de ubicación al Norte o hacia el Sur a partir del Ecuador. En consecuencia, se define como una latitud norte positivo y una latitud sur negativo, que varía con el siguiente rango -90° ≤ ϕ ≤ 90°. Es decir, este ángulo ϕ, determina el lugar de interés sobre la tierra, con respecto al plano del Ecuador, como se muestra en la siguiente figura. En la siguiente tabla se muestran las latitudes geográficas, posición angular de diferentes ciudades importantes de nuestro País (México).
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Estados y Ciudades AGUASCALIENTES Aguascalientes BAJA CALIFORNIA SUR La Paz CAMPECHE Campeche COAHUILA Piedras Negras Saltillo COLIMA Colima Isla Socorro CHIAPAS Arriaga Comitán San Cristóbal de las casas Tapachula Tuxtla Gutiérrez CHIHUAHUA Chihuahua DISTRITO FEDERAL Aeropuerto Tacubaya DURANGO Durango Hermosillo GUANAJUATO Guanajuato León GUERRERO Acapulco Chilpancingo HIDALGO Pachuca Tulancingo JALISCO Colotlán Guadalajara Huejúcar Lagos de Moreno ESTADO DE MÉXICO Chapingo Toluca
Latitud Latitud Norte Oeste 21.87°
102.30°
24.17°
110.42°
19.85°
90.48°
28.68° 25.42°
100.57° 100.98°
19.23° 18.72°
103.73° 110.95°
16.23° 16.25° 16.75° 14.92° 16.75°
93.90° 92.13° 92.63° 92.27° 93.12°
28.65°
106.07°
19.43° 19.40°
99.08° 99.20°
24.03° 29.07°
104.67° 110.97°
21.02° 21.12°
101.25° 101.68°
16.83° 17.55°
99.93° 99.50°
20.13° 20.08°
98.73° 98.37°
22.12° 20.68° 22.37° 21.35°
103.27° 103.28° 103.22° 101.92°
19.48° 19.30°
98.88° 99.67°
Estados y ciudades Latitud Norte MICHOACÁN Morelia 19.70° NAYARIT Tepic 21.52° NUEVO LEÓN Monterrey 25.68° OAXACA Oaxaca 17.07° Salina Cruz 16.17° PUEBLA Puebla 19.03° Manzanillo 19.05° QUERÉTARO Querétaro 20.60° QUINTANA ROO Cozumel 20.52° Chetumal 18.50° SAN LUIS POTOSÍ Río Verde 21.93° San Luis Potosí 22.15° SINALOA Culiacán 24.80° Mazatlán 23.22° SONORA Ciudad Obregón 27.48° Guaymas 27.92° TAMAULIPAS Soto la Marina 23.77° Tampico 22.23° TLAXCALA Tlaxcala 19.32° VERACRUZ Córdoba 18.90° Jalapa 19.53° Orizaba 18.85° Tuxpan 20.95° Veracruz 19.20° YUCATÁN Mérida 20.93° Progreso 21.28° Valladolid 20.68° ZACATECAS La Bufa 22.78°
Latitud Oeste 101.02° 104.90° 100.30° 96.72° 95.18° 98.20° 104.33° 100.38° 86.95° 88.30° 99.98° 100.98° 107.40° 106.42° 109.93° 110.90° 98.22° 97.85° 98.23° 96.93° 96.92° 97.10° 97.40° 96.13° 89.63° 89.65° 88.22° 102.58°
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Radiaciónsolarhorizontaldiariaextraterrestre( ). La intensidad de la radiación solar extraterrestre sobe un plano horizontal horario (loh) en un instante determinado, depende de la intensidad de la radiación solar extraterrestre, que afecta por el seno de la altura solar A, según la ley del coseno:
|ℎ = | ,
La radiación solar diaria horizontal extraterrestre se calcula integrando la intensidad (loh) entre los ángulos ( ) del amanecer y del ocaso.
El factor
) = ∫ (24 3600 )( 2 í
se aplica, para realizar la conversión en el periodo de integración
del arco del ángulo horario w de radianes en segundos, porque es una transformación de potencia (Watts) a trabajo (Julios) durante un día. Sustituyendo la ecuación de la altura solar A e integrando entre los límites propuestos. Para obtener la Radiación Extraterrestre diaria (Ho), que se encuentra afuera de la atmósfera terrestre y llega a una superficie horizontal en un período de tiempo, entre el amanecer y el ocaso.
2 ∅ ) = 24 [1+ 0.033 (360 )]( ∅ + 365 360
Se estima, que de acuerdo con los mapas de radiación solar, basados en imágenes provenientes de satélites y apoyados en algunas mediciones sistemáticas, para algunas localidades, que superan la mitad del territorio nacional, presenta una irradiación con una densidad energética de 5 W/hm 2.
ℎ = 18 000 = 1 000 ℎ í í En términos energéticos esto equivale a que cada m 2 recibe 18 000 Kilojoules, que equivalen a la energía contenida en 1,5 kilos de gas LP. Las regiones del país que cuentan con los más niveles de insolación son el noroeste, que comprende la península de Baja California y Sonora; el sur afuera de la zona húmeda del 11
Golfo de México y la zona montañosa de transición entre el Golfo y la Altiplanicie Mexicana, prácticamente, toda la costa del Pacifico, como se muestra a continuación. Estado Ciudad Aguascalientes Aguascalientes Baja California Sur La Paz Mexicali San Javier San José del Cabo Campeche Campeche Chiapas Arriaga Juan Aldama San Cristóbal Tapachula Tuxtla Gutiérrez Chihuahua Chihuahua Guachochi Ciudad Juárez Coahuila Piedras Negras Saltillo Colima Colima Distrito Federal Tacubaya Durango Durango Guanajuato Guanajuato Guerrero Acapulco Aguas Blancas Chilpancingo Hidalgo Pachuca Jalisco Ocotlán Guanajuato L. de Moreno Puerto Vallarta México Chapingo Michoacán Morelia Nayarit Tepic Nuevo León Monterrey Oaxaca Oaxaca Salina Cruz Puebla Puebla Querétaro Querétaro Quintana Roo Chetumal Cozumel San Luis Potosí Río Verde San Luis Potosí Sinaloa Culiacán Los Mochis
Mínima 4.0 4.2 3.9 3.7 4.5 4.4 4.7 4.1 3.7 4.1 3.7 5.3 3.3 5.9 2.9 3.3 3.9 4.5 3.9 4.4 4.7 5.4 3.8 4.2 4.1 4.0 4.0 4.7 3.9 3.7 3.9 3.0 4.4 5.0 4.4 4.4 3.7 3.8 3.3 3.7 3.4 4.3
Máxima 7.2 6.6 7.3 7.1 6.3 6.0 5.9 5.1 5.4 5.4 5.4 8.9 6.9 7.4 6.7 5.9 6.0 6.4 7.5 6.6 6.1 6.0 5.2 6.8 8.2 7.7 7.2 6.0 5.9 5.9 6.1 6.1 6.0 6.6 6.4 6.9 5.7 5.7 5.8 6.4 6.2 5.9
Media 5.6 5.7 5.5 5.5 5.7 5.2 5.4 4.5 4.5 4.7 4.7 5.9 6.4 6.7 4.5 4.8 4.9 5.3 5.7 5.6 5.3 5.7 4.7 5.4 5.9 5.6 5.5 5.5 5.1 4.9 4.8 4.4 5.3 5.8 5.5 5.9 4.7 4.7 4.7 5.4 4.9 5.4 12
Sonora
Tamaulipas Tlaxcala Veracruz
Mazatlán Ciudad Obregón Guaymas Hermosillo Soto la Marina Tampico Tlaxcala Córdoba Jalapa Veracruz Mérida Progreso Valladolid Zacateca
3.9 5.3 5.4 3.9 3.2 3.2 4.0 2.8 3.0 3.6 3.4 4.0 3.1 4.1
5.7 7.26 7.3 8.6 5.4 6.4 5.6 4.6 5.0 5.1 5.7 5.5 5.7 7.8
4.9 6.5 6.0 6.0 4.6 4.5 5.1 3.7 4.0 4.6 4.7 4.9 4.5 5.8
Insolación global media inclinación a la latitud en México en KW/m 2-día Fuentes: Actualización de los mapas de I rradiación Global solar en la República Mexicana (R. Almanza S. ,E. Cajigal R. ,J. Barrientos A. 1997).
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Hacia 1970 las fuentes renovables de energía empezaron a considerarse una alternativa a las energías tradicionales, tanto por su disponibilidad presente y futuro garantizado (a diferencia de los combustibles fósiles que precisan miles de años para su formación) como por su menor impacto ambiental para el caso de las energías limpias, y por esta razón fueron llamadas energías alternativas. En las últimas décadas, el campo de las fuentes renovables de energía ha cobrado importancia para el desarrollo sostenible. La energía solar se presenta como una alternativa eficiente y económica, en comparación con otras formas tradicionales, para la generación de energía eléctrica. Todo esto ha aumentado la necesidad de un mayor aprovechamiento de la energía solar. En cualquier caso, la primera condición que debe reunir un sistema de aprovechamiento de energía solar es la de recoger la mayor cantidad posible de energía recibida en un determinado lugar. Para lograr la optimización de la cantidad de energía obtenida de una instalación fotovoltaica existen dos metodologías: La primera consiste en mejorar los componentes internos de un panel fotovoltaico de manera que su rendimiento aumente. La segunda consiste en aumentar la cantidad de radiación solar recibida por el panel; para esto se busca que el área del panel fotovoltaico permanezca en posición perpendicular a la radiación lumínica de la fuente de luz. En los sistemas fotovoltaicos existe la posibilidad de implementar un dispositivo adicional con el fin de aumentar la captación de radiación solar y por ende la energía suministrada por la instalación, tal dispositivo es un seguidor solar. En esta investigación se tiene como objetivo diseñar e implementar un seguidor solar de bajo costo y altas prestaciones, para así obtener con precisión la posición del Sol, importante para optimizar los trabajos con los paneles fotovoltaicos. Con dicho dispositivo se logra una mayor eficiencia desde el punto de vista energético, ya que permite un mayor aprovechamiento de la energía solar.
En los sistemas fotovoltaicos existe la posibilidad de implementar un dispositivo adicional con el fin de aumentar la captación de radiación solar y por ende la energía suministrada por la instalación, tal dispositivo es un seguidor solar. Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, siguiendo al sol desde el este en la alborada hasta el oeste en la puesta. Cuando esto 14
ocurre, la radiación solar captada es máxima. Estos dispositivos pueden aumentar el rendimiento de los paneles solares entre un 30% y un 40%. Los sistemas de seguimiento solar pueden utilizarse para obtener calor y energía el éctrica tanto en viviendas como en grandes complejos urbanísticos o industriales. Por un lado, se pueden aprovechar para producir agua caliente de uso doméstico o para instalaciones colectivas. Por otro lado, su producción energética puede servir para abastecer de electricidad a lugares sin conexión a la red eléctrica; para la extracción de agua en pozos aislados mediante bombeo; o para hacer funcionar centros de comunicaciones, electrodomésticos, etc.
CaracterizacióndelosSeguidoresSolares Está conformado básicamente por una parte fija y una móvil, la cual cuenta con una superficie de captación que debe permanecer perpendicular a los rayos del Sol durante el día y dentro de su rango de movimiento, cuya finalidad es el aumento de la captación de radiación solar. Su movimiento está inspirado en la trayectoria seguida por los girasoles y hay dos movimientos que se deben controlar, el de la trayectoria del Sol durante el día y la variación de esta trayectoria durante el año. Los seguidores solares acoplados a los sistemas captadores (sistema de seguimiento solar) se utilizan para posicionar los sistemas captadores de radiación, de forma que éstos permanezcan cercanos a la perpendicular paralela de los rayos solares, para convertir l a energía captada en calor o energía eléctrica y ser utilizada en viviendas, complejos urbanísticos o en la industria.
TiposdeSeguidoresSolares. Los seguidores solares pueden ser clasificados según tipo del movimiento que realicen y según el algoritmo de seguimiento. Según su tipo de movimiento:
Seguidores a un eje: Presentan un grado de libertad en su movimiento. 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. Su limitación consiste en que no puede realizar un seguimiento completo del Sol ya que solo puede seguir ya sea la azimut o la altura solar, pero no ambas. • Seguidores a dos ejes: Poseen dos grados de libertad, capaces de hacer un seguimiento solar más preciso. Este tipo de seguidor está en capacidad de realizar un •
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seguimiento total del Sol, tanto en altura como en azimut, aunque el rendimiento de la instalación puede ser superior en comparación con los de un solo eje. A modo de comparación puede decirse que los seguidores a un eje tienen como ventaja un menor costo y su simplicidad, y como desventajas su imprecisión y captación de una menor cantidad de energía; por otra parte los seguidores a dos ejes tienen mayor precisión y permiten una mayor captación de energía, pero se incrementa su costo. Según su algoritmo de seguimiento:
Seguidores por punto luminoso: Poseen un sensor que les indica cual es el punto del cielo más luminoso y al que deben apuntar. El algoritmo de este tipo de seguidor basa su funcionamiento en la señal integrada 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. • Seguidores con programación astronómica: Estos mediante un programa conocen en qué punto debería estar el Sol a cada hora y apuntan a dicha posición. 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. •
Si se comparan estos seguidores puede notarse que los seguidores por punto luminoso presentan una mayor facilidad para implementar el algoritmo de seguimiento, pero presentan poca fiabilidad; mientras que con una programación astronómica se presenta una mayor fiabilidad, pero es más difícil la implementación del algoritmo de seguimiento. En los sistemas fotovoltaicos basados en un seguimiento directo del Sol, el seguimiento más empleado es el que utiliza las coordenadas calculadas, pero es una tecnología muy cara y engorrosa desde el punto de vista de su mantenimiento y control, por lo que se recomienda utilizar la variante de los foto sensores, que son más baratos y de fácil construcción, además de ser una tecnología robusta y confiable.
El diseño del seguidor solar a un eje por programación astronómica se muestra en la figura 1, en la cual se puede notar que presenta dos bloques principales: el de la tarjeta controladora y el de la parte mecánica. La tarjeta controladora es la que realiza el control del sistema en general, ya que en esta se encuentra el algoritmo base, el cual es el encargado de realizar todas las tareas 16
necesarias para lograr un seguimiento directo al Sol. La parte mecánica consta de los elementos necesarios como bases, plataformas, entre otros, donde va acoplado el micro servomotor y el panel.
Diseñodelatarjetacontroladora Para satisfacer las necesidades del sistema en desarrollo, se eligió utilizar una placa Arduino debido a que cumple con las siguientes condiciones: 1. 2. 3. 4. 5.
Posibilidad de ejecución de un algoritmo de control. Capacidad de comunicación con PC. Facilidad de ajuste y configuración por software. Facilidad para controlar la velocidad y el sentido de giro de un servomotor. Bajo consumo energético y bajo costo de producción
PC
SERVOMOTOR
Arduino
Fig. 1. Esquema general del seguidor solar.
El Uno Arduino es una placa electrónica basada en el ATmega328 (ficha técnica). Tiene 14 entradas/salidas digitales pines (de los cuales 6 pueden ser utilizados como salidas PWM), 6 entradas analógicas, un oscilador de cristal de 16 MHz, una conexión USB, un conector de alimentación, una cabecera ICSP, y un botón de reset. Contiene todo lo necesario para apoyar el microcontrolador, basta con conectarlo a un ordenador con un cable USB o alimentarlo con un adaptador AC-DC o batería para empezar.
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Microcontrolador ATmega328
Es un microcontrolador de la compañía Atmel que cuenta con 32KB de memoria flash, 2KB de memoria RAM y 1KB de memoria EEPROM. El microcontrolador puede ser utilizado como reemplazo del microcontrolador de las Freeduino o las Arduino Duemilanove o Diecimila o también puede utilizarse para realizar el montaje de un Arduino desde protoboard.
CaracterísticasycomponentesdelaplacaArduinoUno. Voltaje de Operación: 5V Memoria Flash: 32 KB de los cuales 512 bytes son utilizados por el bootloader
SRAM 2 KB EEPROM 1 KB Velocidad del Reloj 16 MHz Bootloader preinstalado
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ICSP
Conector para la programación ICSP (In Circuit Serial Programming, o Programación Serial en circuito). El ICSP es el sistema utilizado en los dispositivos PIC para programarlos sin necesidad de tener que retirar el chip del circuito del que forma parte.
~PWM
Pines 3, 5, 6, 9, 10 y 11 provee de 8 bits de salida PWM con la función analogWrite (). La modulación por ancho de pulsos (también conocida como PWM, siglas en inglés de pulsewidth modulation) de una señal o fuente de energía es una técnica en la que se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica, ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.
Serie: 0 (RX) y 1 (TX)
Se utiliza para recibir (RX) y transmisión (TX) datos serie TTL. Estos pines están conectados a los pines correspondientes de la ATmega8U2 USB-to-TTL de chips de serie.
Interrupciones externas
Pines 2 y 3 Estos pines pueden ser configurados para activar una interrupción en un valor bajo, un flanco ascendente o descendente, o un cambio en el valor.
SPI
10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK); Estos pines sirven de apoyo a la comunicación SPI con la biblioteca de SPI. El Bus SPI (del inglés Serial Peripheral Interface) es un estándar de comunicaciones, usado principalmente para la transferencia de información entre circuitos integrados en equipos electrónicos. El bus de interfaz de periféricos serie o bus SPI es un estándar para controlar casi cualquier dispositivo electrónico digital que acepte un flujo de bits serie regulado por un reloj.
GND
Pines de tierra. Abreviación de Ground que traducido al español es Tierra y en el contexto de la electrónica significa el común del circuito adonde se supone que existe 0 voltios.
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AREF
Tensión de referencia para las entradas analógicas. Se utiliza con analogReference ().
USB
El Arduino Uno tiene una serie de facilidades para comunicarse con una computadora, Usando los canales de comunicación de esta serie a través de USB y aparece como un puerto COM virtual en el ordenador. Utiliza el estándar de los controladores USB COM, y no necesita ningún controlador externo. Sin embargo, en Windows es necesario un archivo .inf. El RX y TX LED de la placa parpadean cuando se transmiten datos a través del USB al chip serie y viceversa.
Reset
Suministrar un valor LOW(0V) para reiniciar el microcontrolador. Típicamente usado para añadir un botón de reset a los shields que no dejan acceso a este botón en la placa.
GND
Pines de toma de tierra.
VIN
La entrada de voltaje a la placa Arduino cando se está usando una fuente externa de alimentación (en opuesto a los 5 voltios de la conexión USB). Se puede proporcionar voltaje a través de este pin, o, si se está alimentado a través de la conexión de 2.1mm, acceder a ella a través de este pin.
Analog In
El Uno tiene 6 entradas analógicas, y cada una de ellas proporciona una resolución de 10bits (1024 valores). Por defecto se mide de tierra a 5 voltios, aunque es posible cambiar la cota superior de este rango usando el pin AREF y la función analogReference().
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La programación del microcontrolador PIC18F1320se realiza mediante el programa MPLAB IDE de Microchip y consta de dos rutinas fundamentales: la principal y la de orientación. La estructura del mismo está concebida para que la tarjeta controladora pueda trabajar de forma automática en la búsqueda del Sol. Rutina principal: Es la médula de la programación que se le pasa al microcontrolador. Desde esta rutina se hace un llamado a las otras sub-rutinas que permiten el funcionamiento del seguidor.
Sub-rutina de orientación: Es la encargada de encontrar la posición en los ejes de azimut y de altura en que se encuentra el Sol en ese momento. Esta se encarga de mover los motores de pasos en busca del menor valor de resistencia de las fotorresistencias, posición donde debe estar el Sol. El diagrama de flujo de esta rutina se muestra en la figura 4.
Inicio
Posicionar a -60°
Iniciar conteo en memoria
No
¿Conteo igual a 1 hr?
Si Girar +15°
¿Posición igual a 30°?
No
Si Fin. 21
Monto
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Se realizó el diseño y la implementación de un seguidor solar, el cual puede ayudar en la optimización de las instalaciones fotovoltaicas domésticas. Su diseño fue basado en el uso de dispositivos muy comunes en nuestro país, que son de fácil adquisición a un bajo costo, lo que demuestra la robustez de su construcción. El uso de este seguidor solar significa un paso de avance para nuestro país en el campo de la optimización de las fuentes renovables de energía, en este caso la solar, pues permitirá en un futuro un mayor aprovechamiento de la energía. Si se logra hacer un sistema de seguimiento solar aumentaría la radiación captada por los paneles y a la vez la energía producida, lo que significaría un ahorro considerable para el país. El seguidor solar garantiza una mejor utilización de las fuentes renovables de energía, cuya utilización permite la sustitución de combustibles fósiles, reduciendo así las emisiones de gases a la atmósfera, provocando el llamado efecto invernadero. De esta manera se da un importante paso hacia una de las premisas planteadas en la Revolución Energética Cubana de “Obtener energía eficientemente, al míni mo costo posible y usarla racionalmente”.
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