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PROYECTO FINAL DE CARRERA Titulo del Proyecto DISEÑO Y FABICACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR DE UN EJE MEMORIA AUTOR: Enrique Lacasa Ferrer DIRECTOR: José Luis Santolaya Sáenz ESPECIALIDAD: Ingeniería Técnica Industrial Mecánica CONVOCATORIA: Septiembre 2012 ÍNDICE: 1. MEMORIA DESCRIPTIVA....................................................................................1 1.1. OBJETO DEL PROYECTO...........................................................................1 1.2. CARACTERÍSTICAS DEL CONJUNTO DISEÑADO.....................................1 1.3. CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO PRODUCTIVO..................................1 1.4. RESUMEN DEL PRESUPUESTO DE FABRICACIÓN..................................2 1.5. FIRMA Y FECHA...........................................................................................2 1.6. BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................2 2. SEGUIDORES SOLARES ....................................................................................5 2.1. LA ENERGÍA SOLAR COMO FUENTE DE ENERGÍA..................................5 2.1.1. Tecnologías para el aprovechamiento de la energía del sol ..................6 2.1.2. Instalaciones fotovoltaicas.....................................................................9 2.2. SEGUIDORES SOLARES: TIPOS Y CARACTERÍSTICAS.........................13 2.2.1. Tipos de seguidores ............................................................................14 2.2.2. Medidas de protección.........................................................................16 2.2.3. Funcionamiento y control.....................................................................17 3. DISEÑO DEL CONJUNTO..................................................................................19 3.1. DESCRIPCIÓN ...........................................................................................19 3.2. PARÁMETROS CARACTERISTICOS Y CÁLCULOS JUSTIFICATIVOS....22 3.2.1. Cadena de transmisión........................................................................22 3.2.2. Dimensionado estático.........................................................................26 3.3. ESTUDIO DE MERCADO...........................................................................46 4. PROCESO DE FABRCACIÓN............................................................................47 4.1. CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN...............................................47 4.2. PROCESO DE FABRICACIÓN...................................................................48 4.1. FLEXIBILIDAD Y CAPACIDAD PRODUCTIVA ...........................................56 5. ANEXOS.............................................................................................................58 5.1. MANUAL DE INSTRUCCIONES Y NORMATIVA A CUMPLIR....................58 5.1.1. Manual de instrucciones......................................................................58 5.1.2. Normativa............................................................................................62 5.2. DECLARACIÓN DE CONFORMIDAD Y MARCADO CE.............................64 5.3. MÁQUINAS Y CARACTERÍSTICAS............................................................66 ÍNDICE DE ILUSTRACIONES: Figura 2.1. Potencia del sol sobre Europa....................................................................6 Figura 2.2. Planta solar fotovoltaica sobre tejado de General Motors. ........................12 Figura 2.3. Nivel de producción ..................................................................................13 Figura 2.4. Seguidor solar eje polar............................................................................14 Figura 2.5. Seguidor solar de eje vertical....................................................................15 Figura 2.6. Seguidores solares de eje horizontal. .......................................................15 Figura 2.7. Grados de libertad ....................................................................................18 Figura 3.1. Soporte de la placa solar. .........................................................................19 Figura 3.2. Mecanismo motor-reductor.......................................................................20 Figura 3.3. Carcasa....................................................................................................20 Figura 3.4. Soporte graduado.....................................................................................21 Figura 3.5. Esquema de fuerzas sobre el eje de giro..................................................23 Figura 3.6. Altura del sol.............................................................................................28 Figura 3.7. Fuerzas que actúan sobre la placa solar...................................................29 Figura 3.8. Fuerzas y diagramas de esfuerzo de los perfiles de aluminio. ..................30 Figura 3.9. Fuerzas y diagramas de esfuerzo del eje..................................................30 Figura 3.10. Sección del perfil de aluminio..................................................................31 Figura 3.11. Fuerzas sobre en la sección más desfavorable.......................................32 Figura 3.12. Fuerzas sobre la sección más desfavorable. ..........................................33 Figura 3.13. Unión atornillada eje-perfil de aluminio....................................................33 Figura 3.14. Fuerza del axil. Figura 3.15. Fuerza del torsor.............34 Figura 3.16. Fuerzas en los apoyos del eje.................................................................34 Figura 3.17. Área resistente de la carcasa..................................................................35 Figura 3.18. Fuerzas en los apoyos de la carcasa con la chapa soporte....................36 Figura 3.19. Área resistente de los apoyos.................................................................37 Figura 3.20. Fuerzas cortantes sobre los pernos........................................................38 Figura 3.21. Fuerzas en los apoyos de la carcasa......................................................39 Figura 3.22. Fuerzas sobre la chapa soporte..............................................................39 Figura 3.23. Área que resiste las fuerza de tracción. ..................................................40 Figura 3.24. Fuerzas sobre la unión Chapa-Mástil......................................................41 Figura 3.25. Orificios en parte superior del mástil.......................................................44 Figura 3.26. Fuerzas sobre el mástil...........................................................................44 Figura 3.27. Diagramas de esfuerzo del mástil...........................................................45 Figura 3.28. Tensiones en la sección más desfavorable.............................................45 Figura 4.1. Motor-Reductor.........................................................................................55 Figura 4.2. Estructura que soporta la placa solar........................................................55 Figura 5.1. Abrazadera rectangular.............................................................................59 Figura 5.2. Atornillar mástil con chapa soporte. ..........................................................60 Figura 5.3. Colocar perfiles de aluminio......................................................................60 Figura 5.4. Atornillar perfil al eje. ................................................................................61 Figura 5.5. Fijación Hook............................................................................................61 Memoria Seguidor solar de un eje 1 1. MEMORIA DESCRIPTIVA 1.1. OBJETO DEL PROYECTO En este proyecto se ha llevado a cabo el diseño de un seguidor solar de un eje y se ha analizado la viabilidad técnica y económica de su fabricación en serie. Con ello se persigue comercializar un producto con una elevada función práctica, ya que mejora el aprovechamiento energético de placas fotovoltaicas, a la vez que obtener un beneficio industrial, manteniendo la ocupación de una instalación productiva. 1.2. CARACTERÍSTICAS DEL CONJUNTO DISEÑADO El conjunto a fabricar es un seguidor solar diario con movimiento controlado y programado, el cual mueve una placa fotovoltaica que permite transformar la energía del sol en energía eléctrica. Aunque está pensado para instalaciones que requieren poca potencia y para aplicaciones domésticas, el seguidor también puede instalarse en huertos solares. Además, tiene la ventaja de que manualmente puede girar en otro plano, y aumentar su producción frente a los que no tienen este sistema. Es resistente a las condiciones meteorológicas, tiene un bajo mantenimiento y su coste final lo hace muy competitivo. 1.3. CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO PRODUCTIVO El proceso de fabricación se ha planteado siguiendo como líneas básicas: - La elección de los materiales y procesos más adecuados que eviten, entre otros aspectos, operaciones redundantes y rectificaciones. - El empleo de técnicas, herramientas y máquinas existentes en el mercado, fiables y que garantizan unos resultados óptimos. - La reducción de operaciones manuales poco eficaces. - Una producción flexible estructurada en varias células de fabricación, capaz de hacer grandes series o fabricar de acuerdo a las necesidades del cliente. Con este proceso, se fabrican como máximo 3520 seguidores solares al año, con una producción media de 16 conjuntos diarios. Memoria Seguidor solar de un eje 2 1.4. RESUMEN DEL PRESUPUESTO DE FABRICACIÓN Gastos derivados del proceso productivo: Denominación Gasto total anual (€) GASTO total unitario (€) Materia Prima y Materiales 489906,56 139,178 Mano de obra 243525,685 69,18 Costes de producción 19167,85 5,45 Costes indirectos 48643,44 13,82 Amortizaciones 7581,318 2,15 COSTE TOTAL 808824,853 229,779 Beneficios obtenidos: Gastos anuales (€) Ingresos anuales (€) Beneficios anuales (€) Porcentaje beneficio % TOTAL 808824,853 855800 46977,92 5,49 1.5. FIRMA Y FECHA Enrique Lacasa Ferrer 3-Septiembre-2012 1.6. BIBLIOGRAFÍA Direcciones en la web: - Características de seguidores solares de un eje. Disponible en: http://catalog-on-demand- assets.s3.amazonaws.com/teknosolar/Teknosolar_117497_Catalog-On- Demand.pdf Memoria Seguidor solar de un eje 3 - Características de seguidores solares de dos ejes. Disponible en: http://www.debasol.com/doc/es-ftecs05202.pdf http://adener.com/seguidores.html http://www.energes.net/productos/pdf/dos_ejes.pdf - Motores comerciales de pequeño tamaño. Disponible en: http://www.elmeqmotor.es/index.php?gclid=CNiIrKDX8LACFW1ItAodDEaKxA - Engranajes comerciales. Disponible en: http://www.khkgears.co.jp/world/break.html http://www.catalogosdemecanica.es/catalogo-de-engranajes.html - Tornillos, tuercas, arandelas y anillos elásticos. Disponible en: http://www.fixnvis.es/tornillos-de-cabeza-hexagonal-0/tornillo-de- cabeza-hexagonal-estandar-0/acero-8-8-galvanizado-blanco-0/ch-acero-8-8-z- blanco-rosca-total-din-933-0.html - Monitor. Disponible en: http://www.duoconsulting.com/fv/inversores/catalogo_inversores_2011.pdf - Casquillos. Disponible en: http://www.igus.es/iPro/iPro_02_0001_0000_ESes.htm?ArtNr=GSM-3031- 12&c=ES&l=es - Perfiles. Disponible en: http://www.incafe2000.com/index1.php?entrada=Producte&producte=133738&c at= - Materia prima. Disponible en: http://www.suministrostorras.com/materias-primas-10/nylon-en- barra-cilindrica-260.html - Carga de viento. Disponible en: http://www.cleanergysolar.com/2011/08/24/tutorial-calculo-de-la- fuerza-del-viento-sobre-la-estructura-de-los-paneles-o-colectores-solares/ - Herramientas de mecanizado. Disponible en: http://www.comvensa.es/ Libros: - SERRANO NICOLÁS, Antonio. Cálculo y construcción de máquinas. Universidad de Zaragoza. Memoria Seguidor solar de un eje 10 - Instalaciones aisladas: la electricidad es empleada para el autoconsumo de viviendas unifamiliares o explotaciones agrícolas y ganaderas en las que, por su ubicación, el abastecimiento eléctrico de la red implica una gran dificultad y un elevado coste económico. - Instalaciones conectadas a red: vierten la electricidad producida a la red nacional, obteniéndose así, además de beneficios ambientales, beneficios económicos mediante su venta a las grandes compañías eléctricas. La potencia de las instalaciones fotovoltaicas se da en Wp (vatios pico), que corresponde a la potencia que dan los módulos a 25º de temperatura y bajo condiciones de insolación de 1000W/m 2 (insolación aproximada de un día soleado de verano al mediodía). La potencia en Wp del módulo corresponde, aproximadamente, a la potencia máxima que puede generar. Se pueden distinguir distintos tipos de instalaciones según su potencia: - Instalaciones pequeñas de 3kWp como planta tipo: pueden generar hasta 5kWp. Se utilizan en lugares rurales aisladas por ser una solución limpia y muchas veces económica, o aplicaciones conectadas a red sobre tejados, azoteas de casas, hechas por particulares en zonas de su propiedad o influencia; la motivación es generalmente medioambiental. Con la generación de 3kWp se cubriría el consumo propio de una casa tipo medio en el que vivan 2-3 personas, excluyendo el consumo de calefacción y aire acondicionado. - Instalaciones medianas de 30kWp como planta tipo: tienen un rango de variación de potencia entre 5kWp y 100kWp. Se utilizan en electrificaciones rurales centralizadas, o conectadas a red en edificios donde se integra en la arquitectura de los mismos. Una instalación de 30kWp en un edificio supondría cubrir las necesidades eléctricas de diez viviendas medias. - Instalaciones grandes de 300kWp como planta tipo: tienen un rango entre 100kWp y 1MWp. Son generalmente instalaciones conectadas a red, de superficies extensas, promovidas generalmente por empresas que, además de contribuir a una generación limpia de energía, desean un refuerzo de la imagen de la empresa o entidad promotora. Una planta de 300kWp cubre el consumo de un edificio de tipo medio. Memoria Seguidor solar de un eje 11 - Centrales fotovoltaicas de 3MWp como planta tipo: tienen un rango entre 1MWp y 50MWp. Son centrales de generación, promovidas generalmente por empresas o consorcios de empresas, siendo generalmente una de ellas la empresa local de distribución; estas empresas desean conseguir cierto rendimiento económico y una componente de generación verde. Una planta de 3MWp cubre el consumo de una población o urbanización de aproximadamente 500 vecinos. Algunas de las grandes instalaciones que hay montadas en España son: NOMBRE POTENCIA PICO (MW) GW·h/año Parque fotovoltaico Olmedilla de Alarcón (Cuenca) 60 85 Parque Fotovoltaico Abertura Solar (Cáceres) 23’1 47 Planta Solar Fuente Álamo (Murcia) 26 44 Parque Solar Hoya de Los Vincentes, Jumilla (Murcia) 23 41 Parque Solar Calaverón (Albacete) 21’2 40 Parque Solar El Coronil (Sevilla) 21’47 40 Parque Fotovoltaico Beneixama (Alicante) 20 30 Parque Solar Guadarranque (Cádiz) 13’6 20 Si se habla en concreto de Aragón, las instalaciones que cabe destacar son: - La planta solar fotovoltaica instalada sobre tejado en la fábrica de General Motors de Figueruelas (Zaragoza) (Figura 2.2.) es la más grande del mundo sobre cubiertas y tiene una capacidad de 10 MW. Memoria Seguidor solar de un eje 12 Figura 2.2. Planta solar fotovoltaica sobre tejado de General Motors. - La planta localizada en la localidad zaragozana de Zuera, la cual tiene una capacidad de 9’94 MW. - El parque solar fotovoltaico Enerland en Vinaceite (Teruel) de 8 MW. - El parque solar fotovoltaico Santamaría en Sádaba (Zaragoza) de 4’5 MW. Se distinguen dos tipos de emplazamientos para instalaciones fotovoltaicas: - Sobre cubierta: pueden ser instalaciones en cubiertas sobre tejados de edificios públicos, de viviendas, edificios industriales…Por ejemplo, en la actualidad, en España existe la obligación de instalar sistemas de energía solar térmica en los edificios para cubrir entre el 30% y el 70% de las necesidades de agua caliente sanitaria, según RD 314/2006, de 17 de marzo, exigencia básica HE 4. - Sobre terreno: dentro de este tipo de emplazamientos destacan los parques solares, los cuales son destinados a la obtención de energía eléctrica en grandes cantidades. Además de los parques solares, existen otras instalaciones de pequeño tamaño que permiten cubrir las necesidades energéticas de una vivienda, un huerto,… Memoria Seguidor solar de un eje 13 2.2. SEGUIDORES SOLARES: TIPOS Y CARACTERÍSTICAS Un seguidor solar es un dispositivo mecánico, que mediante una estructura soporta una o varias placas solares, a la vez es capaz de orientar las placas solares de forma que estén lo más perpendicularmente posibles a los rayos del sol. Las placas solares se orientan al moverse la estructura que las soporta, está estructura puede moverse sobre uno o sobre dos ejes. Si se trata de dos ejes, este hace un movimiento de Este-Oeste y Norte-Sur, si es de un eje, generalmente hace un movimiento de Este a Oeste. Este tipo de mecanismo sirve para mejorar la captación de energía solar. El aumento de rendimiento respecto a sistemas fijos es de un 34 % para seguidores de dos ejes. En el caso de instalaciones fotovoltaicas, si se considera el rendimiento de toda la instalación, es decir, paneles solares más inversores eléctricos, el incremento puede llegar al 40 %. En los de un eje el rendimiento anual puede incrementarse en un 30 %. En los gráficos que se muestran en la (Figura 2.3.) se observa el incremento de producción con cada tipo. Figura 2.3. Nivel de producción Visto el aumento de rendimiento que proporcionan estas estructuras, sale mucho más rentable un seguidor de dos ejes, que uno fijo o de un eje. Estos se amortizan rápidamente. Pero también entra otro factor que es la dimensión de las placas que se quiera colocar, si es una placa pequeña, para una producción baja, el seguidor de dos ejes no saldrá rentable. Para elegir entre uno u otro habrá que tener en cuenta las características que se quieran conseguir con la instalación. Memoria Seguidor solar de un eje 14 Las ventajas y desventajas entre seguidores de 1 y 2 ejes son: Seguidores de un eje Ventajas Desventajas Menor coste Seguimiento solar impreciso Simplicidad Menor energía captada Posibilidad de adaptación a cubiertas Seguidores de dos ejes Ventajas Desventajas Seguimiento solar más preciso Mayor coste Incrementos de la producción en torno al 35% con respecto a una placa fija Generalmente dificultan el robo de paneles FV. 2.2.1. Tipos de seguidores • Seguidores de 1 eje: para este tipo de seguidores el giro puede realizarse en varios planos: respecto a un eje orientado al sur, respecto a un eje vertical o respecto a uno horizontal. - En el primer caso (Figura 2.4.), el eje esta inclinado un ángulo igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie de la placa coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. La velocidad de giro es de 15° por hora. Figura 2.4. Seguidor solar eje polar. Memoria Seguidor solar de un eje 15 - En el eje vertical (Figura 2.5.), el ángulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano local que contiene al Sol. La velocidad de giro es variable a lo largo del día. Figura 2.5. Seguidor solar de eje vertical. - En el eje horizontal (Figura 2.6.), este está orientado en dirección norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al Sol. El rendimiento y también el precio dependen de cada tipo. Figura 2.6. Seguidores solares de eje horizontal. Estos seguidores solo tienen un eje y por tanto solo un motor y un reductor. Suelen emplearse para instalaciones pequeñas, generalmente una placa solar, o para lugares donde haya poco espacio o el peso esté limitado. Por ejemplo, sobre tejados de viviendas. • Seguidores de dos ejes: la superficie de captación se mantiene siempre perpendicular al sol. Existen de dos tipos: - Monoposte: con un único apoyo central. - Carrusel: varios apoyos distribuidos a lo largo de una superficie circular. Memoria Seguidor solar de un eje 16 Este tipo de seguidores consta de dos ejes de giro, que puede ser uno vertical y otro horizontal, o dos verticales perpendiculares entre si. Este tipo de seguidor se utiliza en instalaciones más grandes, y también tiene un mayor precio y peso. Suelen ir colocados en el suelo, ya que en una cubierta serían muy pesados. El tamaño de los seguidores está muy relacionado con el tamaño de la instalación. En parques solares de grandes dimensiones se utilizan seguidores solares de gran tamaño, que soportan hasta 80-90 m 2 de superficie de placa solar. En parques solares más pequeños, puede colocarse tanto un seguidor solar de dos ejes de pequeño tamaño o placas fijas. En instalaciones sobre tejado (cubierta) se utilizan habitualmente placas fijas para aprovechar mejor el espacio y reducir el peso. Otra opción es colocar sobre cubierta seguidores de un eje, de cualquiera de los 3 tipos explicados anteriormente. No hay que dejar mucha separación entre placas, y la superficie que se pierde se gana con el aumento de productividad, y tampoco tiene mucho más peso. Por último para consumo propio (una caseta de riego, agua caliente en una casa…) se puede emplear tanto un seguidor solar de un eje, de una superficie de unos 2m 2 como una placa fija, depende de la energía que se utilice. 2.2.2. Medidas de protección Los seguidores solares están expuestos a todo tipo de agentes corrosivos del medio ambiente por ello tiene que estar protegidos. Para protegerlos contra oxidación y corrosión, los elementos que están en el exterior (eje, estructura soporte, mástil…) están fabricados de acero galvanizado en seguidores grandes y aluminio en seguidores de menos dimensiones. Los elementos internos como el motor, los engranajes,… se montan dentro de una carcasa que impide la entrada de humedad. Para proteger a los seguidores contra fuertes vientos (superiores a 70 Km/h), llevan una estación meteorológica, que cuando detecta vientos altos y prolongados, hace que el seguidor coloque la estructura de placas solares en posición horizontal, ya que es la forma que opone menor resistencia al viento. Para soportar la carga de nieve encima de los paneles se diseñan Memoria Seguidor solar de un eje 17 estructuras más sólidas y para soportar los impactos del granizo, en las placas se utilizan cristales prensados. 2.2.3. Funcionamiento y control El seguidor solar tiene que ir monitorizado por una central, y tener una estación meteorológica, que puede servir para uno o para varios seguidores. La forma por la que la central puede guiar el seguidor es de dos tipos: • Por sensores: las placas solares de cada seguidor llevan unos sensores, por los que detectan si los rayos de sol inciden perpendicularmente sobre las placas, o no. Mediante estos sensores la central va dando la orden a los motores de que muevan las placas solares o no, para que estas estén todo el tiempo perpendiculares a los rayos de sol. • Por posición solar: de esta forma, la central da la orden de posición a las placas, por medio de una ecuación en la que según la hora, un ordenador va calculando la posición del sol en todo momento. En este tipo de sistema se habrá de tener en cuenta el lugar donde se instale el sistema. La misión de la estación meteorológica es medir en todo momento las condiciones climatológicas. Primero para ver si las placas funcionan correctamente, ya que se sabrá si ha sido un día soleado o no, y a partir de aquí ver lo que han producido las placas. La segunda misión, es la de medir la velocidad del viento, para dar la orden de que se ponga horizontal si fuera necesario, como ya se a explicado en el apartado de medidas de seguridad. Todos estos componentes electrónicos, mandan la información a los motores que accionan los sistemas mecánicos, para hacer mover las placas. Las placas o parrillas de placas pueden moverse de dos formas, por medio de un eje que gira, o por medio de brazos actuadores. - Seguidores de 1 grado de libertad: en este caso lo más habitual es encontrar un eje, que haga girar la placa. Este eje se pondrá según como gire la placa (dependiendo de los tres tipos explicados antes). La central manda la información al motor, que por medio de un reductor acciona el eje. Este Memoria Seguidor solar de un eje 18 reductor tendrá que tener una desmultiplicación conocida, ya que sabiendo la velocidad del eje la central dará una orden más larga en el tiempo o menos. Otra forma que también puede usarse, sobre todo para varias placas que no giren un ángulo muy grande, es la de usar un brazo. La central puede mandar la información tanto a una bomba hidráulica, como a un motor lineal. - Seguidor de 2 grados de libertad: se puede encontrar varias combinaciones de los dos tipos explicados antes (dos ejes, un brazo y un eje, dos brazos…), va en función del tamaño la mayoría de las veces. Para seguidores no muy grandes se emplea un brazo y un eje. El eje es igual que en el caso anterior, y hace girar las placas de vertical a horizontal. El brazo le da un giro en la trayectoria del sol, de izquierda a derecha. Si el seguidor es más grande, aguanta más placas, se suele emplear dos motores. De esta forma, un eje es igual que siempre, gira las placas de posición vertical a horizontal y esta compuesto de un motor-reductor, que acciona el eje. El otro grado de libertad, es un giro en la vertical, la placa rota sobre sí misma (Figura 2.7.). En el mástil que la soporta, se monta un motor con un reductor, pero este en vez de un eje, lleva un piñón que engrana con una corona exterior, y hace girar las placas. Figura 2.7. Grados de libertad Con una combinación adecuada de los dos movimientos, en cualquier combinación de mecanismos que se eligiera, se consigue un seguimiento solar casi perfecto. Memoria Seguidor solar de un eje 19 3. DISEÑO DEL CONJUNTO Se ha diseñado un seguidor solar de un eje que soporta una placa de 1x2 m de superficie y dispone de un mecanismo para cambiar su orientación a medida que la posición del sol va cambiando a lo largo del día. Se trata de un seguidor solar de un eje orientado al sur. Ya que un eje está inclinado con respecto a la altura del sol, y el otro eje gira a lo largo del día, siguiendo el movimiento diario del sol. Es un seguidor solar enfocado para consumo propio, y puede colocarse tanto en tejado como en suelo. 3.1. DESCRIPCIÓN El seguidor se compone de tres partes principales: la de soporte de la placa, la que proporciona el movimiento y la de fijación en el lugar de emplazamiento. El soporte de la placa se realiza a través de dos perfiles de aluminio unidos por un eje de acero galvanizado (Figura 3.1.). El montaje puede realizarse mediante tornillos o utilizando un elemento comercial llamado fijación Hook. Se utilizan perfiles de sección rectangular de 60x30x2 mm y longitud estándar o cortada a medida según las dimensiones de la placa. Figura 3.1. Soporte de la placa solar. Memoria Seguidor solar de un eje 26 lo explicado antes. Debido a la baja resistencia necesaria en el material, el tornillo sinfín también va a fabricarse de Nylon. Como módulo se ha elegido 1.5 en vez de 1, por cuestiones de diseño, ya que con módulo 1, el resto de engranajes eran de menor diámetro, y no llegaban a engranar. 3.2.2. Dimensionado estático Para justificar la elección de los distintos elementos que componen el seguidor solar, así como el dimensionamiento de las piezas fabricadas en el taller, se comprueba a continuación que todos los elementos cumplen una serie de condiciones. Estas condiciones aseguran que la estructura va a soportar las fuerzas que se estiman necesarias para un funcionamiento normal y correcto. La condición que tienen que cumplir los materiales y las dimensiones propuestas, son: que no tengan un coeficiente de seguridad menor de 3. Este coeficiente de seguridad se creé suficiente para que la estructura no rompa, ya que las fuerzas están ligeramente aumentadas respecto a las que la estructura soportará durante su trabajo. Para este estudio se colocan sobre la estructura las siguientes fuerzas, que son las máximas con las que se prevé que trabajará: - Una fuerza de 20Kg, vertical y hacia abajo. Es el peso de la placa solar, no se podrá colocar una placa solar que supere los 20Kg, pero normalmente las placas de 2m 2 no llegan a este valor. - Una fuerza vertical y hacia abajo de 2,052Kg. Es el peso de los dos perfiles de aluminio. - El peso del eje: 6,38Kg. Vertical y hacia abajo. - La última fuerza vertical y hacia abajo es el peso del mástil, pero en este elemento la fuerza se evalúa como una carga distribuida a lo largo de todo el perfil, de 6,56Kg/m. En los elementos anteriores se contabilizaba como una fuerza puntual en el centro, porque esa aproximación no conlleva apenas error. Memoria Seguidor solar de un eje 27 En el resto de elementos no se contabiliza su peso, ya que es muy pequeño comparado con estos. - La fuerza de la resistencia que opone la placa solar a una velocidad de aire dada, se toma una velocidad máxima de 90Km/h, ya que se ha creído una velocidad considerablemente alta. Esta fuerza va en función del ángulo de inclinación de la placa, a mayor ángulo (placa vertical) la superficie enfrentada al aire será máxima. Este ángulo corresponde a la altura del sol, y se varía en cada estación del año, y según la latitud terrestre. Por tanto dependiendo del lugar en el que se instale tendrá unos valores u otros. Para que el seguidor pueda trabajar en cualquier parte del mundo sin ningún problema de resistencia, se va a calcular la fuerza para un ángulo de la placa de 90º. No se contabiliza una hipotética carga de nieve, ya que al moverse la placa y estar inclinada, la nieve se caería, y la estructura no tendría que soportar un peso adicional excesivo. Está fuerza del aire se va a suponer como una fuerza puntual en el centro de la placa, y se calcula mediante la siguiente expresión: α SenSPFaire ⋅ ⋅ = - (P) es la presión del aire, que para 90Km/h es de 39Kp/m 2 - (S) es la superficie de la placa 2x1=2m. - (α) es el ángulo al que esta girada la placa respecto a la horizontal. En este caso a estudiar, el ángulo que está girada la placa es 90º, como ya se ha explicado anteriormente. Con estos datos la fuerza horizontal del aire es 78Kp. Aunque para la fuerza del aire se use un ángulo de 90º, para la comprobación, las fuerzas se van a calcular con la estructura a 53º, ya que este ángulo es el máximo al que trabajará la placa, y por tanto en el que más fuerza soportarán los apoyos. Este ángulo de 53º se da en invierno, en esa estación el sol tiene una menor altura. Entonces para que estos rayos incidan perpendicularmente a la superficie de la palca solar, ésta tendrá que tener un mayor ángulo con la horizontal. En la Figura 3.6. se ve la explicación: Memoria Seguidor solar de un eje 28 Figura 3.6. Altura del sol. El ángulo de 53º ha sido calculado de la siguiente manera: - Primero se calcula la altura del sol el 21 de diciembre, día que comienza el invierno (cuando el sol está más bajo). - Segundo, se calcula la altura el 20 de marzo, día que termina el invierno. Y con estos dos ángulos se obtiene la media, y ese es el ángulo al que se ha de inclinar la placa durante el invierno. Para calcular estos ángulos, primero se calcula un ángulo que va en función del día del año que es, será “δ”: - 21 de Diciembre: Número de día: 365-10=355 º45.23 365 )355284(360 45.23 −=      +⋅ ⋅= Sen δ - 20 de Marzo: Número de día: 31+28+20=79 º807.0 365 )79284(360 45.23 −=      +⋅ ⋅= Sen δ A continuación se calcula el ángulo de altura del sol, donde “L” es la latitud, en este caso se calcula para España y se usa un promedio de 41º y “H” es el ángulo horario del sol, que para las 12h, cuando más alto está, vale 0º: - 21 de Diciembre: º55.25 = → ⋅ ⋅ + ⋅ = hCosCosHCosLSenSenLSenh δ δ - 20 de Marzo: º193.48 = → ⋅ ⋅ + ⋅ = hCosCosHCosLSenSenLSenh δ δ Memoria Seguidor solar de un eje 29 Estos ángulos son los del sol con la horizontal, los de la placa serán estos ángulos menos 90º, haciendo esto y sacando la media, el ángulo al que trabajará la placa durante el invierno es: 53º. A continuación, con todo lo explicado, se va a comprobar la estructura. Las fuerzas que soporta la placa solar se ven en la Figura 3.7.: Figura 3.7. Fuerzas que actúan sobre la placa solar. • Travesaños de aluminio y eje: En este apartado se va a comprobar si los perfiles de aluminio y el eje soportan las fuerzas siguientes: 20Kg de la placa solar, 78Kg de la presión del aire, 1,026Kg de peso de cada perfil de aluminio y 6,38Kg del peso del eje. Para simplificar la repartición de fuerzas en los 4 apoyos de la placa, se supone que esta no tiene espesor, ya que es muy pequeño comparado con las otras dos dimensiones de la placa, y que se apoya puntualmente en los 4 extremos de los perfiles de aluminio. Sobre estos extremos caerá una fuerza vertical de 5Kg y una horizontal de 19.5Kg. Y sobre el centro de estos perfiles, caerá su peso de 1,026Kg. Las fuerzas que soportan los perfiles de aluminio (Figura 3.8.) son: Memoria Seguidor solar de un eje 30 Figura 3.8. Fuerzas y diagramas de esfuerzo de los perfiles de aluminio. Los diagramas de la derecha, corresponden a la fuerza del aire en dirección horizontal, y los diagramas de la izquierda, corresponde al peso, en dirección vertical. Los esfuerzos que recibe el eje (Figura 3.9.) son: Figura 3.9. Fuerzas y diagramas de esfuerzo del eje. Las fuerzas que actúan en el eje son las que pasan de la unión con el perfil de aluminio, y el momento torsor que hace girar la placa. En el perfil de aluminio no se Memoria Seguidor solar de un eje 31 ha tenido en cuenta el momento torsor, ya que es muy pequeño comparado con las fuerzas ya representadas. Una vez calculadas las fuerzas, hay que calcular las inercias y momentos resistentes de ambas secciones, eje y perfiles de aluminio, en su punto más desfavorable. En ambos casos, el punto más desfavorable, es la sección central. En el perfil de aluminio (Figura 3.10.), hay que contar que en la sección central tiene dos orificios para su anclaje al eje, los cuales reducirán la sección resistente, mientras que el eje será la sección circular integra. - Perfiles de aluminio: Estos perfiles tienen una resistencia de 16Kp/mm 2 y son rectangulares de: 60x30x2mm. Y tiene 1,052m de longitud. Tienen un orificio circular de 30mm de diámetro en la cara que mide 60mm, y tienen otro orificio de diámetro 4mm en cada cara. Área del perfil: 208mm 2 Figura 3.10. Sección del perfil de aluminio. El centro de gravedad está en el centro del perfil. 4 36.137037 mmInerciaX = 4 3.29397 mmInerciaY = - Eje: El eje es una barra de diámetro 30mm, y el material es Acero Galvanizado, el acero es F-1120 Normalizado, con una resistencia a la fluencia de 27Kp/mm 2 . Y longitud 1150mm. Área= 706.858 mm 2 Módulo resistente a flexión (Wz)= 2650.72mm 3 Memoria Seguidor solar de un eje 32 Módulo resistente a torsión (W 0 )= 5301.44mm 3 Por último, se calculan las tensiones que soporta cada elemento, y aquí se comprobará si el coeficiente de seguridad es apto o se tiene que cambiar algún parámetro. - Perfiles de aluminio: En la sección central de perfil de aluminio (Figura 3.11.) hay momentos en dos planos distintos, pero no hay axil. El momento en el eje x del perfil es 2,5Kgm y el momento en el eje y del perfil es 9.75Kgm. En este caso el cortante tampoco se tiene en cuenta. Figura 3.11. Fuerzas sobre en la sección más desfavorable. 2 /52.515 3 . 29397 9750 30 36 . 137037 2500 mmKptracción =⋅+⋅= σ El coeficiente de seguridad es: 9.2 52 . 5 16 ==Cs La condición de cálculo es que el coeficiente de seguridad fuera 3 o mayor, pero en este caso es 2.9. Teniendo en cuenta que es muy próximo, y que se utilizan para el cálculo una fuerza mayor a la de trabajo, se da por valido. - Eje: En el punto más desfavorable del eje (Figura 3.12.), en la sección central, actúan: un momento torsor máximo de 0.031Kgm y un momento flector de 21.724Kgm y un axil de 14.67Kg Memoria Seguidor solar de un eje 33 Figura 3.12. Fuerzas sobre la sección más desfavorable. 23 0 23 0058.0 44.5301 31max 22.8 72.2650 21724 86.706 76.19.max mm Kp mm Kpmm W Mt T mm Kp mm Kpmm Wz Mf f === =+== τ σ Aplicando la teoría de cortante máximo, el coeficiente de seguridad es: 28.3 22 . 8 27 22.80058.0422.84 2 2222 ==→=⋅+=⋅+= Cs mm Kp T τσσ El coeficiente de seguridad cumple con la condición presupuesta al principio. • Tornillo que unen el perfil de aluminio con el eje: Este tornillo fija la unión entre estos dos elementos, pasando el tornillo atravesando agujeros pasantes en ambos elementos. Impide que el eje se salga, y hace que se muevan solidarios uno a otro. Esta unión se aprecia en la Figura 3.13. Figura 3.13. Unión atornillada eje-perfil de aluminio. Memoria Seguidor solar de un eje 34 Figura 3.14. Fuerza del axil. Figura 3.15. Fuerza del torsor. Las fuerzas de la Figura 3.14. las genera la fuerza axil del eje, y las fuerzas de la Figura 3.15., se producen por el par torsor del movimiento del sistema. La fuerza total que actúa sobre el pasador es: KpFp 41.703.1335.7 22 =+= La tensión que soporta el pasador es: 2 2 /59.0 2 41.7 mmKp A Fp = ⋅ == π σ Los tornillos son de acero inoxidable A2, de resistencia 70Kp/mm 2 , de métrica 4, y de longitud 70mm. Con esa resistencia el tornillo resistirá sin problemas los esfuerzos a los que está sometido. • Carcasa: Lo siguiente a calcular son los apoyos del eje a la carcasa. Esta carcasa está colocada en el centro del eje, y dentro de ella va montada toda la transmisión. Las fuerzas que soporta son (Figura 3.16.): Figura 3.16. Fuerzas en los apoyos del eje. Memoria Seguidor solar de un eje 35 Las fuerzas que soportan los apoyos se aproximan a que ambos apoyos soportan fuerzas cortantes, pero solo el apoyo B soporta fuerzas axiles. Mediante momentos en el apoyo B se obtiene: F A = 39.7Kg F B y= 39.7Kg F B x= 24.25Kg Se calcula como si fuera un pasador. Como lo que se quiere calcular es la carcasa, se calcula a aplastamiento, que es donde interviene la resistencia de ésta. El espesor de la carcasa que soporta al eje es de 7mm por cada lado. La tensión que habrá de soportar la carcasa es: 2 /19.0 30 7 7.39max mmKp d e F= ⋅ = ⋅ = σ La carcasa se fabrica de polipropileno, de resistencia mecánica 3Kp/mm 2 , suficiente para soportar la tensión anterior. Las fuerzas calculadas, sobre la carcasa, producen compresión a lo largo de las paredes, por tanto también hay que comprobar si debido a está fuerza la carcasa no se partirá. Para esto hay que calcular la superficie que aguanta estas fuerzas, cortando por el eje del agujero de la carcasa en el que va el eje, ya que en esta parte el área (Figura 3.17.) será la mínima queda: 2 1106 23)5561(4540 mm Área = =⋅⋅−−+⋅⋅= 2 /072.0 1106 7.397.39max mmKp A F= + == σ Figura 3.17. Área resistente de la carcasa. En esta comprobación se ve que la tensión solicitada es muy inferior a la anterior, así que romperá antes por aplastamiento, que por compresión. A continuación se van a calcular los apoyos sobre los que se sujeta la carcasa, que van sobre dos tornillos, y estos sobre la placa soporte graduada. En primer lugar, como en los casos anteriores, será calcular las fuerzas que soportan estos Memoria Seguidor solar de un eje 42 Para el cálculo de tornillos es necesario tener en cuenta la precarga inicial en el tornillo (Fi), y la constante de rigidez de la unión (C). La Fi es lim75.0 FFi ⋅ = el 0,75 se coge porque se quiere una unión desmontable, donde la Flim es la máxima fuerza que puede soportar ese tornillo, que es la resistencia del material por el área resistente de este: 2 2 9381.0      ⋅− =pd Ar π El d=8 y el paso es 1.25 por tanto el Ar=36.6mm 2 . Los pernos son de acero inoxidable, de resistencia 70Kp/mm 2 . Con esto la Fi=1921.5Kp Para calcular la constante de rigidez de la unión, es necesario tener en cuenta datos tanto de la unión como del tornillo, y es KuKp Kp C+ = Donde Kp se obtiene de:      + + + =22 4.04.041 dr drLr dc dcLc EKp π esta expresión solo contiene datos del tornillo, y son: Lc (mm) Dc (mm) Lr (mm) Dr (mm) E (a. inox.) 53 8 22 8-0.9381*1.25=6.83 21000Kp/mm 2 2 /55.11711 mmKpKp = Para Ku hay que tener en cuenta el tornillo y la unión:       −++⋅⋅ +−+⋅⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = ))(2( ))(2( dcdidcditgLi dcdidcditgLi Ln tgdcEi Kui α α α π - Di: diámetro de la cabeza del tornillo o tuerca. - Li: anchura de ambas partes unidas. Ku para la chapa soporte graduada, de anchura 2mm y ángulo de 40º: 2 /045.1212278 mmKpKuc = Ku para el mástil, de anchura 60mm, y el resto de datos, lo mismos: 2 /18.342214 mmKpKum = Memoria Seguidor solar de un eje 43 La Ku total: 2 /33.266877 18 . 342214 1 045 . 1212278 11 mmKpKu Ku =→+= Con los datos anteriores la C=0.042. Ahora con lo hallado y la fuerza de tracción máxima en el tornillo se obtiene la fuerza total a tracción, a la que está solicitado el tornillo: KpFACFiAFtotal 15.192416.63042.05.1921, = ⋅ + = ⋅ + = Con esta fuerza, calculada con la fuerza cortante del apartado anterior (10Kp) y con el área resistente calculada al principio de este apartado (36.6mm 2 ), se halla la tensión tangencial y normal: 2 2 /57.52 6.36 66.1924 /39.0 6.36 21.14 mmKp mmKp == == σ τ Mediante la hipótesis de cortante máximo se calcula la tensión total: 33.1 58 . 52 70 /58.5239.0457.52 222 ==→=⋅+= CsmmKg σ El coeficiente de seguridad es 1.33, no es tan elevado como en el resto de la estructura, pero para tornillos a flexión es suficiente. Además cuenta con dos tornillos, así que si uno se llegara a romper aun quedaría el otro para reparar la unión antes de que se rompiera del todo. • Mástil: El mástil es el elemento que une la estructura al suelo. En su parte inferior va anclado al suelo de distintas maneras, y en su parte superior va atornillado a la chapa soporte graduada calculada en el apartado anterior. El mástil puede anclarse de distintas maneras y a distintos lugares. Los dos sitios más frecuentes son: al suelo en un pie de cemento, y sobre una pared al igual que una antena parabólica. Estas formas y algunas más se describen en el manual de instrucciones. Memoria Seguidor solar de un eje 44 Para la fabricación de este elemento se utiliza un perfil rectangular normalizado, de acero galvanizado de resistencia a la fluencia de 32.2Kp/mm 2 . Este perfil tiene una longitud de 1.5m máximo, pudiéndose variar a distintas medidas pedidas por el cliente, pero nunca sobrepasando esa longitud, sino podría romperse. Este perfil es rectangular, de sección 60x40mm y un espesor de 5mm. Las fuerzas que soporta son las que le pasa la chapa graduada. Esta chapa va sujeta por lo dos tornillos comprobados anteriormente, por tanto este mástil en esa parte superior llevará dos orificios, uno para cada tornillo (Figura 3.25.). El orificio superior está a 20mm de la parte superior del mástil, y el otro a 85mm del anterior: Figura 3.25. Orificios en parte superior del mástil. Las fuerzas sobre el mástil son (Figura 3.26.): Figura 3.26. Fuerzas sobre el mástil. Memoria Seguidor solar de un eje 45 Figura 3.27. Diagramas de esfuerzo del mástil. El cortante no va a influir en el cálculo, y del resto de fuerzas la máxima está en el apoyo con el suelo, donde el axil es 38.26Kg y el momento flector es 116171.35Kgmm. Con estas fuerzas la distribución de tensiones en la sección del perfil es (Figura 3.28.): Área resistente= 2 940mm Módulo resistente=11.8cm 3 Figura 3.28. Tensiones en la sección más desfavorable. La tensión máxima que soporta el mástil es: 26.3 89 . 9 2.32 /89.9 11800 35.116171 940 26.38 2 ==→=+= CsmmKp σ El coeficiente de seguridad es 3.26, es admisible para la comprobación que se está realizando. Memoria Seguidor solar de un eje 46 3.3. ESTUDIO DE MERCADO El objetivo de la fabricación del seguidor solar es tener una gran cercanía con el cliente, de forma que puedan variar algunas piezas del producto a su gusto, y conseguir una ventaja con el resto de fabricantes. Se fabricará en una producción continua pero a la vez puede ser por pedido. También se busca abarcar un gran abanico en este sector, ya que con el mismo producto se puede montar una gran variedad de placas solares, desde placas solares de pequeñas dimensiones, pasando por placas de polímero (bajo peso), hasta un máximo de 1x2 metros y 20Kg de peso, por esta razón el cliente puede variar algunas piezas, dependiendo de la placa solar que vaya a montar. En consonancia con esta última idea, el seguidor solar puede emplearse para distintos fines: uso particular y producción de electricidad cerrada, para abastecer una granja o varios edificios, o en huertos solares, para grandes producciones de electricidad. En principio este tipo de seguidor solar es un mecanismo sencillo, de fácil uso y de una inversión baja. Por eso está enfocado para uso particular, para suministrar energía a una casa, para cargar una batería de un ordenador de riego, para cargar baterías de farolas, etc. En función de la placa solar tendrá mayor o menor capacidad de producir electricidad, pero siempre encaminado hacia un sector mas privado. Como se ha citado en el párrafo anterior, puede usarse para parques solares (huertos solares), pero en este campo es más frecuente usar seguidores de 2 ejes, debido a que pueden soportar una mayor área de paneles solares, y tienen una mayor eficiencia de producción. En este sector se encuentra gran cantidad de competidores. Para ganar ventaja frente a esas empresas, se busca fabricar un seguidor solar más barato que ellos, y crear una mayor cercanía con el cliente, como ya se ha explicado antes. Algunas de esas empresas son: tu tienda solar, teknosolar, renovables del sur, y otras varias. En todas ellas el precio de un seguidor solar de un eje está alrededor de 270€, y ofrecen el seguidor solar más el sistema electrónico de seguimiento. En este diseño se ofrecería lo mismo, pero con un precio menor y una mayor cercanía al cliente. Con estos aspectos a favor sería posible competir en el mercado. Memoria Seguidor solar de un eje 47 4. PROCESO DE FABRCACIÓN 4.1. CARACTERÍSTICAS DE LA INSTALACIÓN La instalación industrial en la que se va a realizar la fabricación del seguidor solar, está emplazada en Aragón, en la provincia de Zaragoza, en la población de Cuarte de Huerva. Es una nave de 1200m 2 , tiene dos entradas y fácil acceso para carga y descarga de vehículos. Las características con las que cuenta son las siguientes: Muelles carga 2 Aire acondicionado No Montacargas No Acc. Minusválidos Sí Patio con maniobras Sí Acceso trailer Sí Acceso furgoneta Sí Puente con grúa Sí Duchas No Aseos Sí Red contra incendios Sí Salida emergencia Sí Parking Sí Plazas parking 6 La distribución en planta tiene forma de L, ya que de esta forma se optimizan los tiempos de transporte entre máquinas, y se distribuyen mejor los espacios. La superficie de la nave industrial está ocupada de la siguiente forma: - Oficinas: 200 m 2 . Incluye una sala de juntas y una zona para comedor y descanso de los trabajadores. - Baños y vestuarios: 100 m 2 . Incluye dos baños y dos vestuarios para hombres y mujeres, respectivamente. - Almacenes: 120 m 2 para el almacén de materia prima y 180 m 2 para el almacén de producto terminado. - Taller y zona de proceso: 600 m 2 . Está dividido en 6 zonas: 1) Mecanizado: tiene unas dimensiones de 12x15 m. En esta zona se sitúan dos sierras de cinta para cortar aluminio, acero y nylon, cada una ocupa un espacio Memoria Seguidor solar de un eje 48 de 1.8x0.85 m, un torno de CNC de 3.44x1.34 m y una fresadora de CNC, que tiene de base 1.65x1.87 m. 2) Conformado: tiene unas dimensiones de: 6x12 m. Esta zona dispone de una cizalladora motorizada de dimensiones 1.7x1.35 m, una dobladora de chapa de CNC de base 1.6x1.7 m y una punzonadora de 0.8x0.7m. 3) Inyección: tiene unas dimensiones de 7x10m y en esta zona se encuentra una máquina inyectora de plástico con la que se fabrica la carcasa. 4) Montaje: tiene aprox. 15x10m y se sitúa a continuación de las zonas anteriores. Dispone de varias mesas de trabajo y de las máquinas y herramientas necesarias para realizar el montaje del seguidor. 5) Ensayos: zona entre el montaje y el embalado, donde si es necesario se revisaran los seguidores solares defectuosos. 6) Embalado: tiene aproximadamente 10x5m y en ella se procede al embalado de los productos según las especificaciones dadas. Las características y datos técnicos de las máquinas empleadas en el proceso de fabricación se pueden consultar en el Anexo III de la Memoria. 4.2. PROCESO DE FABRICACIÓN La producción del seguidor se estructura en 4 células de fabricación, 1 célula de montaje y 1 célula de embalaje. La distribución de tareas en las diferentes células de fabricación es la siguiente: - Un operario fabricará el tornillo sinfín y el eje. Éste operario cogerá la materia prima necesaria, la llevará a la sierra para cortarla, y luego pasará al torno para mecanizarla. Una vez mecanizadas las llevará a la zona de montaje. - La corona y la carcasa serán fabricadas por otro operario. Para la corona cogerá el material del almacén, lo cortará en la sierra, y por último lo llevará a mecanizar a la fresa. Este operario se encargará también de manipular la Memoria Seguidor solar de un eje 49 máquina inyectora que fabrica la carcasa. Una vez terminada la corona la llevará al puesto de montaje. A continuación, llevará la carcasa a la fresa para mecanizarla y después a la zona de montaje. - Los dos perfiles de aluminio y el mástil los fabricará un tercer operario. Cogerá la materia prima del almacén, la cortará en la sierra y le hará los agujeros necesarios en la punzonadora. De aquí llevará las piezas a la zona de montaje. - Otro operario realizará el soporte graduado y el soporte del motor. Cogerá la chapa del almacén, la cortará en la cizalladora, la llevará a la punzonadora para realizar los orificios necesarios y por último la plegará en la plegadora. Las piezas terminadas se llevarán al puesto de montaje. - En la célula de montaje un operario recibirá las piezas fabricadas y las montarán. Una vez montado es pasado al puesto de embalaje. El puesto de embalaje es la última célula en la producción, aquí reciben el producto montado, y lo llevan al almacén. La fabricación de cada una de las piezas que componen el seguidor solar se realiza tal y como se describe de forma detallada a continuación: 1) La materia prima más los elementos comerciales llegan al almacén de materia prima por medio de un trailer, en el siguiente formato: - Perfiles de aluminio: barras de longitud 5260mm en paquetes de 30 barras. Su peso es de unos 150Kg, por tanto para transportarlo será necesario una carretilla elevadora. - Barra de nylon de diámetro 65mm: barras de longitud 3500mm, en paquetes de 10 barras. El paquete pesa 140Kg, se moverá con una carretilla elevadora. - Barra de nylon de diámetro 20mm: de longitud 1400mm, y en paquetes de 30 barras. Su peso es de 16Kg, podrán transportarse fácilmente a mano. - Barra para el eje (diámetro 30mm): barras de longitud 4600mm, en paquetes de 20 barras. Su peso será de 500Kg, para desplazarlo será necesaria la carretilla elevadora. Memoria Seguidor solar de un eje 50 - Perfil rectangular de acero: longitud de 4500mm, en paquetes de 20 barras. Su peso será de 640Kg, para desplazarlo será necesaria la carretilla elevadora. - Chapas: los dos tipos de chapa empleados se recibirán en bobinas de 1150mm de ancho y 100m de chapa enrollada. Con un peso de 2 toneladas. - Polipropileno: se recibe en forma de bolas pequeña o granza. Se empaqueta en sacos de 25Kg. 2) Procesos de mecanizado: 2.1. Mecanización de la corona: Se parte de una barra de 55mm de diámetro, de Nylon. Los pasos son: • En la sierra: - Cortar en la sierra un disco de 7mm de espesor. Tiempo aproximado de corte: 20 segundos. • En la fresadora, es de control numérico y puede llevar 10 herramientas distintas para cambiarlas automáticamente. El operario solo tendrá que anclar correctamente la pieza y elegir el programa de mecanizado adecuado: - Se perforará el hueco para el eje, un agujero de 30mm de diámetro, mediante un disco de fresado. - Se tallarán los dientes, este proceso se realiza con fresa madre, que consiste en un tornillo sinfín igual al que va ha engranar después, pero los filetes de este tornillo estarán afilados. El diámetro primitivo del tornillo será 16mm, y habrá de entrar en el disco una distancia especificada en el plano 01.03.02 del documento planos. - Se rebajará la altura de los dientes, hasta un diámetro de la corona de 63,98mm, para que los dientes no terminen en canto vivo. Este paso se realizará mediante un disco de fresa y girando la corona. El tiempo estimado para este proceso es de: 10 minuto aproximadamente. • En la punzonadora: - Se perforará el hueco de la chaveta, mediante una cremallera con dientes cortantes. El tiempo en este proceso será de 3 min. Memoria Seguidor solar de un eje 51 El tiempo estimado para llevar las piezas de un puesto a otro es de 20 segundos. El tiempo total del proceso será 15 minutos. 2.2. Fabricación de la carcasa: la carcasa la forman dos piezas, estas dos piezas se inyectarán, para ello se utilizará polipropileno, el cual se echará en la máquina de inyección, y por medio del molde, se obtendrán las dos piezas, tal como se especifica en los planos 01.18.01 y 01.11.01. Tiempo del proceso: 2 minutos, desde que se vierte la materia prima hasta que se obtienen una parte, para la otra se tendría que cambiar el molde, aproximadamente 3 minutos. Una vez obtenidas las dos partes, se llevarán a la fresadora, donde: - Se harán una serie de orificios y roscas. En ambas partes se hará: - Un orificio de 34mm de diámetro, en la parte superior, para que pase el eje, tendrá que tener una tolerancia H7. - Dos medios círculos en cada una, en los hombros rectangulares que tienen estas piezas, en estos orificios apoyará el tornillo sinfín. - En la parte que lleva los salientes para el anclaje, se realizarán: - Cuatro agujeros roscados de métrica 4 con una profundidad de 16mm, son para cerrar ambas partes. - Dos agujeros roscados de métrica 2 y 3mm de profundidad, para anclar el motor. - Se hará un orificio pasante en cada uno de diámetro 8,5mm, en los salientes de fuera de la carcasa. - En la otra parte se hará 4 agujeros pasantes en cada extremo, para pasar los tornillos que unan ambas partes. Tiempo de mecanizar cada parte: 3minutos. Tiempo total de fabricación de ambas partes: 15 minutos. 2.3. Mecanización del eje: se parte de una barra de acero F-1100 normalizado con una capa de galvanizado, de diámetro 30mm. Antes de empezar se comprueba que el diámetro de la barra cumple la tolerancia establecida en el pliego de condiciones. Operaciones: Memoria Seguidor solar de un eje 58 5. ANEXOS 5.1. MANUAL DE INSTRUCCIONES Y NORMATIVA A CUMPLIR 5.1.1. Manual de instrucciones Este manual de instrucciones va a constar de 4 puntos: instrucciones de almacenamiento y transporte, instrucciones de montaje y utilización, instrucciones de puesta en marcha y mantenimiento y medidas de seguridad. 1. Instrucciones de almacenamiento y transporte: el conjunto mecánico irá almacenado en cajas de cartón, la caja será de 1,6x0,4x0,4 metros, en ella se empaquetará el eje montado ya con el reductor y la chapa graduada, el mástil, los travesaños, y una bolsa con los tornillos, tuercas y arandelas necesarias para su posterior montaje. Este producto se puede transportar a mano, ya que su peso es de 18,27Kg. En caso de almacenaje, no colocar elementos pesados encima. Las condiciones ambientales de almacenamiento son: - Temperatura entre 15 y 25 grados. - Humedad del 30% más o menos, la humedad solo será necesaria porque las cajas son de cartón. 2. Instrucciones de montaje y utilización: el seguidor solar se vende parcialmente montado, lo primero el usuario deberá tener o en su defecto comprar una placa solar que no supere los 2x1 metros de área. Para su correcto montaje será necesario los siguientes instrumentos: una llave allen, y dos llaves inglesas, o dos llaves fijas de métrica 4 y otras dos de métrica 8, y los pasos que se deberá seguir son los siguientes: - Anclar el mástil donde vaya a trabajar. Formas de anclaje: o Sobre el suelo (pie de cemento): se construye un pequeño suelo de cemento, de 1x1m y una altura de 20cm, y en el centro se coloca la parte inferior del mástil, recubriendo la longitud total (20cm). Memoria Seguidor solar de un eje 59 o Sobre el suelo (anclado en tierra): se hace un agujero, de unos 20 a 30cm de profundidad, y se coloca la parte inferior del mástil, recubriéndola esa longitud. Esta forma es más insegura que la anterior, ya que si la tierra no está bien compactada, puede moverse. o Sobre pared: mediante una abrazadera que ejerza presión (Figura 5.1.) por tornillos a la parte inferior del mástil, y que se atornille a la pared. Es el mismo sistema que para una parabólica. La abrazadera no se suministra con el seguidor solar, y se debe comprar aparte. Figura 5.1. Abrazadera rectangular. o Sobre tejado: en caso de necesitarse también podría anclarse sobre tejado, tanto en teja, uralita o cubierta. Pero el anclaje en este caso se realiza con anclajes especiales, que no se suministran con el producto. Si se quiere este caso, se tendrá que contactar con alguna empresa especializada en este tipo de sujeciones. - Una vez esté el mástil anclado, se le atornillará el conjunto motor-reductor con el eje en su parte superior (Figura 5.2.), esto se hará por medio de dos tornillos de métrica 8, que sujetarán la chapa graduada al mástil, la chapa graduada lleva unos agujeros ya hechos para eso, al igual que el mástil. Los dos tornillos, las dos tuercas y dos arandelas salen en el interior del producto. Memoria Seguidor solar de un eje 60 Figura 5.2. Atornillar mástil con chapa soporte. - Lo siguiente es atornillar los travesaños de aluminio (perfil rectangular 60x30x2) al eje. Colocar en cada extremo del eje un perfil de aluminio (Figura 5.3.), y que los agujeros de ambos coincidan. Pasar un tornillo hexagonal de M4 y longitud 70mm por ambos agujeros, perfil y eje, para que ambas partes queden solidarias (Figura 5.4.). Por último colocar la arandela de auto retención y atornillar la tuerca. Hacer lo mismo en el otro extremo del eje con el otro travesaño. Todos los elementos nombrados en el montaje se encuentran en el paquete. Figura 5.3. Colocar perfiles de aluminio. Memoria Seguidor solar de un eje 61 Figura 5.4. Atornillar perfil al eje. - Colocar la placa solar centrada sobre los perfiles de aluminio. En la bolsa de tornillería hay cuatro chapas en forma de U con dos aletas, y con un tornillo, una tuerca y una arandela cada una (Figura 5.5). Se apoya una aleta en el borde de la placa solar, colocando cada una de las cuatro encima de cada extremo de los perfiles de aluminio. Se pasa el tornillo por el agujero de la chapa, y por el agujero del extremo del perfil, y finalmente se atornilla estos tornillos. Por último se cierran los perfiles con los tapones de plásticos. En este paso procurar apretar bien los tornillos, sino la placa solar podría caerse. Figura 5.5. Fijación Hook. - Para acabar habrá de enfocarse la placa solar correctamente hacia el sol, esto se hará por medio de la guía graduada, que está en la chapa que soporta el motor-reductor. Aflojar el tornillo que está en dicha guía, e inclinarlo el ángulo correspondiente a la estación del año en la que se encuentre. Este proceso se Memoria Seguidor solar de un eje 62 debe hacer en cada estación del año, para aumentar su productividad, sino no se hace no pasa nada. La inclinación de cada estación es: Invierno 53º Primavera 30º Verano 30º Otoño 53º 3. Instrucciones de puesta en marcha y mantenimiento: una vez montado el conjunto mecánico, se tendrá que llamar a un técnico electricista, para realizar la instalación eléctrica, el cableado, las baterías, la corriente de alimentación del seguidor solar que se cogerá de la misma batería. El mantenimiento mecánico del conjunto es muy escaso, dado su poco movimiento y la baja velocidad que lleva, no hará falta ningún tipo de lubricación, ni ningún cambio de pieza por desgaste a corto plazo. La placa solar puede aguantar sin problemas varios años en condiciones normales. El escaso mantenimiento que precisa será de la parte eléctrica. Pero se recomienda: - Vigilar, de vez en cuando, que funciona correctamente. - Comprobar que la producción de energía en condiciones normales no varía mucho. Si se nota un comportamiento anómalo, se debería realizar una revisión. - Reapretar los tornillos cada cierto tiempo, de ese modo nos aseguramos de que la placa solar no puede caerse. - Comprobar que el anclaje del mástil está en buenas condiciones. 4. Medidas de seguridad: las medidas de seguridad son en el ámbito eléctrico, y las deberá llevar acabo el técnico eléctrico que realice el montaje. Pero se recomienda no desenchufar los cables, porque puede estropearse el motor o el sistema de guiado. No desmontar el bloque motor-reductor si no está desenchufado. La única parte móvil que es el motor-reductor, va cubierto por la carcasa. 5.1.2. Normativa - Documento Básico de Seguridad Estructural de Acciones en la edificación (DB SE-AE), Eurocódigo y el RD 1578/2008 sobre retribución de la energía solar fotovoltaica. Memoria Seguidor solar de un eje 63 - RD 314/2006 de 17 de Marzo, Código Técnico de Edificación. - RD 1435/92 (Anexo 1), por el que se dictan las disposiciones de aplicación de la Directiva del Consejo 89/392/CEE, relativa a la aproximación de las legislaciones de los Estados miembros sobre máquinas. - Real Decreto 1644/2008, por el que se establecen las normas para la comercialización y puesta en servicio de las máquinas. - RD 1801/2003 de 26 de diciembre de 2003 sobre seguridad general de los productos. Memoria Seguidor solar de un eje 64 5.2. DECLARACIÓN DE CONFORMIDAD Y MARCADO CE Declaración de conformidad Declaración de Conformidad Datos del fabricante: - Nombre: Monegros solar - Población: Cuarte de Huerva (Zaragoza) - Dirección: Calle aneto, 8 - Contacto: Monegrossola[email protected] Declara que: Datos del producto: - Tipo: Seguidor solar - Modelo: seguidor solar de un eje. - Características: automático, autosuficiente y no puede aguantar placas solares mayores a 20Kg de peso. Es conforme con las exigencias mínimas de seguridad y salud y con otras disposiciones pertinentes recogidas en la siguiente normativa, y que todas las medidas necesarias han sido tomadas y que están en vigor para asegurar que la producción continuará conforme con los requisitos. - RD 1435/92 (anexo 1) - Año en el que empieza a aplicarse el marcado: 2012 Firma: Fecha: 28-Agosto-2012 Memoria Seguidor solar de un eje 65 Etiqueta/Placa de características Fabricante: Monegros solar Marca: Modelo: Single tracker ST9 Año de fabricación: 2012 Nº de serie: 2012021001 Características: Especificaciones técnicas y de funcionamiento: - Dimensiones: Sin placa solar: 1x1x1,5 metros/ Con placa solar: 2x1x1,5 metros - Velocidades: Velocidad de giro del eje: 0.22 rpm. - Pesos: peso máximo de la placa solar a soportar: 20Kg peso de todo el conjunto: 18,27Kg Memoria Seguidor solar de un eje 66 5.3. MÁQUINAS Y CARACTERÍSTICAS Sierra de cinta semiautomática HB 280B capacidad de corte capacidad de corte a 90° (plano) 350x200mm capacidad de corte a 90° (redondo) 280mm capacidad de corte a 90° (cuadrado) 280x280mm capacidad de corte a 45° (plano) 260x320mm capacidad de corte a 45° (redondo) 240mm capacidad de corte a 45° (cuadrado) 210x210mm velocidad de corte 20-100 variable m/min. capacidad de accionamiento clasificación del motor de accionamiento principal 1,5 Kw. clasificación del motor de bomba de enfriamiento 0,12 Kw. voltaje de alimentación 400 V medidas y pesos dimensiones de la banda 27x0,9x3400mm dimensiones generales 1800x850x1000mm Peso 530Kg Memoria Seguidor solar de un eje 67 Punzonadora Hidráulica MX340G Medidas principales Altura 1800mm Base 700x800mm Peso 540kg Hueco de punzonado Carrera 100mm Altura hueco de punzonado 250mm Distancia del punzón hasta final del hueco 180mm Datos técnicos refrigeración Bomba 8.5 l/min. Depósito 27litros Datos técnicos del motor Potencia 2.2 Kw. Velocidad 1460 rpm Tensión 220/380 v (trifásica) Intensidad 7-12.8ª Datos técnicos área de trabajo Pistón 34t (doble efecto) Presión máxima 200Kg. PROYECTO FINAL DE CARRERA Titulo del Proyecto DISEÑO Y FABRICACIÓN DE UN SEGUIDOR SOLAR DE UN EJE PLANOS AUTOR: Enrique Lacasa Ferrer DIRECTOR: José Luis Santolaya Sáenz ESPECIALIDAD: Ingeniería Técnica Industrial Mecánica CONVOCATORIA: Septiembre 2012