Diseño de sistema de alineación de paneles solares de alta concentración

i Equation Chapter 1 Section 1 Proyecto Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración Autor: Tomás Barba Gómez Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 ii iii Proyecto Fin de Grado Ingeniería de las Tecnologías Industriales Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración Autor: Tomás Barba Gómez Tutor: Dr. Luis Fernando Castaño Castaño Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 iv v Proyecto Fin de Carrera: Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración Autor: Tomás Barba Gómez Tutor: Luis Fernando Castaño Castaño El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2022 El Secretario del Tribunal vi vii A mi familia A mis maestros viii ix Agradecim ientos A todos aquellos que me han acompañado en estos 4 años de mi vida. En especial a ellos, a mis padres, nada de esto habría sido posible sin su sacrificio. A mis amigos de carrera, que han estado ahí en los momentos más duros de estos años, que son muchos. También a mi tutor del proyecto, Fernando, que desde el primer día ha estado para todo lo que he necesitado. Tomás Barba Gómez Sevilla, 2022 xvi 8 ANEXOS 64 8.1 Pantalla de Operador 64 8.2 MueveMOTOR 65 8.3 MueveACOPLAMIENTO 67 8.4 MueveDISPOSITIVO 68 8.5 MuevePANEL 70 8.6 Procedimiento de Pruebas 72 Referencias 74 xvii xviii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 3-1 Características eléctricas del módulo solar 21 Tabla 5-1 Características generales del sensor 44 Tabla 5-2 Información adicional del sensor 47 Tabla 6-1 Relación entre angleY, avanceYZ y pulsosYZ 52 Tabla 6-2 Relación entre angleX, avanceXZ y pulsosXZ 53 xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1 Ejes de giro: Elevación (arriba) y Azimut (abajo) 2 Figura 1-2 Esquema de clasificación de seguidores solares 3 Figura 1-3 Seguidor de eje polar 3 Figura 1-4 Cimentación de un seguidor solar para evitar posibles desfases temporales 4 Figura 1-5 Desalineación de paneles solares en un seguidor solar 5 Figura 1-6 Paneles no coplanarios (azul) y mala precisión en el montaje (rojo) 5 Figura 1-7 Configuración de cimentación en terreno antes cargas de viento 6 Figura 2-1 Sistema de control de orientación de seguidor solar con motores asíncronos. 9 Figura 2-2 Posición a lo largo de un día de un seguidor solar 9 Figura 2-3 Seguidor real del proyecto con los 24 panales 10 Figura 2-4 Estructura del seguidor solar completo 11 Figura 2-5 Sistemas de referencia del seguidor completo. Vista perfil. 12 Figura 2-6 Relación entre sistemas de referencia 13 Figura 2-7 No paralelismo entre vectores normales de seguidor y paneles 13 Figura 2-8 Movimientos de la placa respecto a ejes coordenados 14 Figura 3-1 Panel fotovoltaico de baja concentración 15 Figura 3-2 Panel fotovoltaico de alta concentración 16 Figura 3-3 Suma anual de irradiación global en España 17 Figura 3-4 Panel y célula solar de HC 18 Figura 3-5 Lente Fresnel y ángulos de incidencia (de más a menos aceptable) 19 Figura 3-6 Potencia de salida en función del ángulo de incidencia del rayo 19 Figura 3-7 Cono de luz en 2D de la zona eficiente 20 Figura 3-8 Cono de luz 3D de la zona eficiente 20 Figura 3-9 Curva V-I (Azul) y V-P (Rojo) 22 Figura 3-10 Configuración con diodos de paso con panel 2 en polarización inversa 23 Figura 3-11 Curva IV de 3 paneles en serie con diferentes eficiencias instantáneas 23 Figura 3-12 Eficiencia del panel solar 23 Figura 3-13 Vista trasera frontal del módulo solar 24 Figura 3-14 Vista lateral del módulo solar 25 Figura 3-15 Distancia entre agujeros sobre panel real 25 Figura 4-1 Mala orientación de paneles frente a orientación de seguidor 26 Figura 4-2 Disposición de los motores PaP y de las diferentes esquinas de la placa 27 Figura 4-3 Prototipo completo a desarrollar 28 Figura 4-4 Nueva relación entre sistemas de referencia 29 Figura 4-5 Conexionado entre sistemas 30 xx Figura 4-6 PLC Modicon M340 31 Figura 4-7 Bastidor con 4 slots de M34 33 Figura 4-8 Módulo de contaje EHC200 33 Figura 4-9 Símbolo y descripción de cada pin de entrada de canal 34 Figura 4-10 Símbolo y descripción de cada pin de salida 34 Figura 4-11 Conexionado de sensores con canal de la tarjeta 35 Figura 4-12 Conexionado de salida. 36 Figura 4-13 Entradas y salidas de la tarjeta rápida EHC200 36 Figura 4-14 Conexionado de los canales de las tarjetas con driver 37 Figura 4-15 Motor paso a paso 38 Figura 4-16 Driver de los motores paso a paso 39 Figura 4-17 Piñón de la trasmisión (x2) 40 Figura 4-18 Transmisión completa (vista superior) 40 Figura 4-19 Acoplamiento mecánico para el ajuste del panel 41 Figura 5-1 Sistemas de referencia y ángulos más relevantes para el ajuste del panel 42 Figura 5-2 Sensor solar ISS-DX de Solar MEMS 43 Figura 5-3 Cuadrantes del sensor ISS-DX 43 Figura 5-4 Sistema de referencia del sensor: {4} 44 Figura 5-5 Referencia para ángulos medidos 45 Figura 5-6 Ángulos límite 45 Figura 5-7 Tiempos de espera de comunicación 46 Figura 5-8 Conexionado eléctrico del sensor ISS-DX 48 Figura 5-9 Dimensiones del sensor ISS-DX 48 Figura 5-10 Barrera fotoeléctrica de horquilla de Eickmann Electronik 49 Figura 6-1 Panel con ángulos y avances 50 Figura 6-2 Planos y ángulos de incidencias 54 Figura 6-3 Secuencia de movimientos (z3: antes de ajuste / z3’: después de ajuste) 55 Figura 6-4 Avances según dirección de incidencia de los rayos solares 55 Figura 6-5 Orientación inicial y final tras ajuste, según configuración de la figura 6-1. 56 Figura 7-1 Diferentes capas jerárquicas (funciones) del programa de control 57 Figura 7-2 Acoplamiento del sistema 60 Figura 7-3 Dispositivo: límites geométricos y sensor de HOME 62 Figura 8-1 Pantalla de Operador 64 Figura 8-2 Función MueveMOTOR 66 Figura 8-3 Función MueveACOPLAMIENTO 67 Figura 8-4 Función MueveDISPOSITIVO 69 Figura 8-5 Función MuevePANEL 71 Figura 8-6 Movimientos de panel para AngleY=-0.9º y AngleX=0.2º 72 Figura 8-7 Movimientos de panel para AngleY=0.5º y AngleX=-0.7º 73 xxi 1 1 INTRODUCCIÓN La simplicidad es la máxima satisfacción. - Leonardo da Vinci - 1.1 Contexto Este trabajo se ha realizado con el objetivo de proponer un mecanismo físico de bajo coste y una serie de funciones de librería que hagan que la precisión de la orientación de un panel fotovoltaico (o solar) sea la máxima admisible para obtener la mayor eficiencia, en este caso una mayor potencia de salida del panel según las condiciones ambientales, partiendo de la base de que en un principio este no apunta exactamente donde debería. El trabajo se encuentra dentro del campo de la automatización para el control y supervisión de sistemas controlados por motores paso a paso. Estos dispositivos se encuentran hoy en día en multitud de sistemas que necesitan un grado de precisión elevado, ya que este tipo de motores permite obtener una precisión muy elevada (0.36 º - 1.8º en su eje principal) dada por su paso ( por lo general suelen tener 1000 - 200 posiciones en una vuelta completa del eje del motor). Además, estos motores poseen un alto par, y garantizan el frenado del eje cuando el sistema se encuentra en reposo. Para controlar dichos motores habrá que hacer uso de un driver que les proporcione la corriente necesaria y de un autómata programable que le envíe señales analógicas de control. Será necesario el uso también de sistemas externos como una fuente de alimentación y de un ordenador para hacer toda la parte del software y programación del PLC, además de diversos sensores que se desarrollaran en capítulos posteriores. De aquí en adelante se tratará de exponer todos los puntos a tener en cuenta en este tipo de proyecto, ya sea el tipo de fallas que provoca el desajuste, el tipo de control a realizar, las funciones de software a diferentes niveles jerárquicos, los componentes físicos de los que será necesario disponer, etc. En primer lugar se tratará de plantear toda la parte mecánica del proyecto, para que posteriormente en los últimos capítulos este se centre más en aspectos de software. Introducción 2 2 1.2. Seguidores Solares de 2 Grados de Libertad En este proyecto se trabaja sobre un panel solar que pertenece a una serie de 24 paneles en serie orientados más o menos en una dirección aceptable por un seguidor solar de 2 grados de libertad. Que un seguidor tenga 2 grados de libertad hace referencia a la capacidad o limitación de movimiento que tiene, en este caso, puede hacer giros en elevación y/o azimut, como se presenta en la Figura 1-1 o con eje polar, como se verá en este capítulo. Figura 1-1 Ejes de giro: Elevación (arriba) y Azimut (abajo) Los ángulos de elevación y azimut que permite el seguidor también son controlados por autómata externo a este trabajo (este se centra en el nivel placa solar, no seguidor solar).El movimiento de azimut no tiene restricción de giro ( de 0º a 360º ), mientras que el de elevación sí, que en función de cada seguidor tendrá uno u otro rango de movimiento.En general, presentan un recorrido de 90º, con posiciones límites cuando el plano del panel es horizontal al plano del suelo y cuando es perpendicular a este. Estos seguidores por lo general son así debido a la necesidad de captar la luz solar con una mayor precisión, es decir, con una incidencia del rayo solar perpendicular al plano del panel.Cuando se trabaja con células de alta concentración, que como se verá es el caso de este proyecto, se necesita que la incidencia sea muy precisa (90º±2º)para que la potencia de salida no caiga a valores mínimos. En seguidores estáticos o de 1 grado de libertad ( ya sea con azimut o elevación ) no es nada recomendable instalar paneles de alta concentración ya que seria muy difícil hacer que la luz incidiese con el ángulo correcto durante al menos un tiempo razonable. Para ello se usan otros tipos de paneles que, aunque aportan menos energía, son más eficientes en términos de rango de valores de ángulos de incidencia, por ejemplo los usados en campos solares, que suelen tener 0 o 1 grado de libertad. En la siguiente figura se representa un esquema de clasificación de seguidores de 1 y 2 grados de libertad. 3 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 3 Figura 1-2 Esquema de clasificación de seguidores solares En cuanto a los seguidores solares de 2 ejes, se puede distinguir entre: - Eje polar: Consisten en una serie de ejes inclinados respecto a la horizontal y con una orientación concreta (en España por ejemplo esta debería ser norte-sur ) sobre el que giran los paneles. Todos los ejes están conectados entre sí mediante una barra de transmisión. En la Figura 1-3 se muestra este seguidor. Figura 1-3 Seguidor de eje polar - Elevación-Azimutal: Este tipo de seguidores es sobre el que se trata en este trabajo. En la página anterior se ha hecho una breve explicación de su funcionamiento mecánico y cabe destacar que son los más eficientes a la hora de producir energía por su buena capacidad de orientación. Dentro de este tipo de seguidores existen diversas configuraciones, pero siempre manteniendo la idea de movimiento azimutal y de elevación. Este tipo de seguidor se representa en la Figura 1-1, y en capítulos posteriores se estudiará más en profundidad. Introducción 4 4 Aún teniendo 2 grados de libertad sigue habiendo ciertas fallas que hacen que el rendimiento del seguidor caiga a valores mínimos cuando se trabaja con paneles de alta concentración. Estas pueden ser imprecisión en el montaje inicial, movimientos de tierra, rigidez de la estructura, cargas de viento, etc. La limpieza o rotura de los paneles son otro tipo de variable a tener en cuenta, aunque mucho más imprevisibles, no tanto como la situación del clima en el momento de la captación, que aunque es previsible, no es posible hacer nada para cambiar dicha situación. En el siguiente punto se tratan algunos problemas en seguidores solares con “fácil” solución. 1.3. Problemáticas de los seguidores solares En el caso de los paneles fotovoltaicos es de imprescindible cumplimiento hacer una buena planificación y estudio de la zona antes de empezar a construir la estructura. El paso del tiempo hace que las estructuras cedan, que los terrenos se muevan, que lo que en un principio parecía estar bien anclado ya no lo está. Por eso, hay que tener en cuenta un gran número de variables a evitar para obtener en todo momento una orientación aceptable. En el caso que ocupa, al trabajar con paneles de alta concentración, necesitamos que todo esos problemas no sucedan, ya que por mínimos que sean harán que la energía captada caiga a valores que no se pueden aceptar. Se presentan a continuación los problemas más comunes en la vida de los seguidores solares: -Movimientos de terreno. Es muy importante hacer una buena cimentación para que el seguidor no tenga ninguna deriva temporal sobre el terreno. Los seguidores estar instalado en el terreno o sobre la azotea de edificios. En el primer caso, haciendo una buena planificación de la cimentación bastaría, ya que sería bastante difícil que sufriera deriva temporal debido a movimientos (inesperados) del terreno. En cambio, cuando el seguidor está instalado sobre una azotea, es más fácil que sufra pequeñas variaciones. Los edificios ceden con el tiempo ( por muy poco que sea, tener siempre en cuenta el grado de precisión que necesitan estos paneles), y con ellos los seguidores. Existen casos en los que el seguidor está apoyado sobre vigas de acero (normalmente en forma de H), y estas a su vez ancladas a alguna parte del edificio. Estas vigas también ceden con el tiempo, haciendo que el seguidor también lo haga con ellas. Figura 1-4 Cimentación de un seguidor solar para evitar posibles desfases temporales 11 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 11 Figura 2-4 Estructura del seguidor solar completo Cada parte móvil del seguidor solar tendrá un sistema de referencia asociado, como se observa en la figura 2-5. Los dos grados de libertad del seguidor quedan representados con las variables θ1 y θ2, ambos movimientos circulares alrededor de un eje de giro, uno de azimut y el otro de elevación, respectivamente. Se detallan a continuación los sistemas de referencia: - Sistema de referencia global {G}: a la cual está referida la posición del sol. - Plataforma {0}: la plataforma descansa sobre el terreno. Base del seguidor. - Poste {1}: primera articulación del seguidor. - Vela {2}: segunda articulación del seguidor y la estructura sobre la que se montan todos los demás sistemas. Su movimiento está limitado. Su variable θ2puede variar entre 0º y 80º partiendo de que 0º es con la vela totalmente apuntando hacia arriba (vector normal de la vela paralelo a z1). - Placas solares {3i}: La i se refiere a cada uno de los 24 paneles de los que comprende el seguidor. En principio el origen de este sistema de referencia se colocará centrado en el panel, aunque en capítulos posteriores se verá que no es el lugar más idóneo a la hora de realizar ciertos cálculos. - Sensor Solar {S}: El sensor solar a través del cual todo el sistema se orienta se ubica en la vela. Formas de orientación 12 12 Figura 2-5 Sistemas de referencia del seguidor completo. Vista perfil. Como se observa en la figura anterior, se tiene a simple vista los vectores x2,z3i y zSson paralelos. Pero he aquí el motivo de este proyecto, el no paralelismo de los mismos. Los vectores x2y zSpueden considerarse paralelos ya que el sensor solar está bien acoplado mecánicamente al sistema de referencia 2, por lo que se supone que no habrá deriva temporal ni en su distancia ni en su paralelismo. En cambio, los vectores x2y z3i zSno son perfectamente paralelos por la razones explicadas en el punto 1.4. Ambos vectores no necesariamente deben de ser paralelos, es una condición no prescindible. La condición que sí ha de cumplirse para garantizar una correcta captación de energía es la del paralelismo entre z3i y zS, ya que el vector zSes el que la normal de las placas han de tener ( condición de paralelismo entre vectores directores z3i y zS). En la figura siguiente se presenta un pequeño esquema de la dependencia de un sistema de referencia con otro. Tener en cuenta que aunque el sistema de referencia 3 y S no están directamente relacionados, si lo están indirectamente, por la razón que se explica en el párrafo anterior. 13 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 13 Figura 2-6 Relación entre sistemas de referencia 2.2. A nivel panel En un caso ideal este punto no se debería desarrollar, ya que con la orientación del propio seguidor bastaría para obtener una buena orientación de todo el conjunto de paneles. Sería un ajuste redundante, a veces no necesario, y por supuesto que incrementaría el presupuesto del prototipo. Este trabajo se centra precisamente en este punto, en la orientación independiente de un panel dentro de un seguidor solar que está bien orientado, pero dicho panel sufre desajuste en su propia orientación. En la figura 2-1 se muestra este problema a corregir. Figura 2-7 No paralelismo entre vectores normales de seguidor y paneles Formas de orientación 14 14 Es decir, existe un desajuste del propio panel respecto a la dirección del sol y seguidor. Para paliar este problema no hay sistemas integrados con este fin, sino que habría que desarrollar un mecanismo electromecánico que consiguiese dicha orientación con cierto grado de precisión. Hay muchas formas de corregir el problema si se tienen en cuenta cuestiones como presupuesto, material, complejidad, fiabilidad, durabilidad, precisión, etc. En este trabajo se desarrollará un tipo de sistema concreto para ajustar paneles con poca desviación, que será explicado con todo detalle en apartados posteriores. Sea cual sea el método a usar para el ajuste del panel, este se podrá simplificar como una serie de rotaciones sobre sus tres ejes coordenados, centrados en el centro del panel. En la siguiente imagen se muestra los movimientos que podría experimentar el panel para que el vector nllegue ser paralelo a I(irrandiancia solar). Los movimientos respecto a los ejes paralelos al plano del panel se pueden obtener con movimientos lineales de dos motores situados bajo este, por ejemplo. Mientras, el movimiento de giro respecto a la normal al plano se puede hacer mediante el seguidor (el mismo para todos los paneles del seguidor). Este último movimiento sería redundante (o innecesario) debido a que el panel con los dos primeros podría acceder a todos los puntos que se requiera dentro de unos límites de movimiento. Figura 2-8 Movimientos de la placa respecto a ejes coordenados 3 PANEL DE ALTA CONCENTRACIÓN Los paneles de alta concentración fotovoltaica (HCPV, por sus siglas en inglés) son, dentro de todos los tipos de paneles solares, un tipo especial de estos por ser capaces de redirigir los rayos de sol hasta un punto concreto muy pequeño, obteniendo así una eficiencia mayor que los paneles convencionales. Este trabajo se ha desarrollado entorno a un tipo concreto de seguidor solar compuesto por una serie de paneles de alta concentración. Este seguidor se ubica en la azotea de los laboratorios de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de la Universidad de Sevilla, en concreto en el edificio L1E ( Ingeniería de Sistemas y Automática). El seguidor lleva tiempo sin operar debido a los desajustes que tiene. Estos desajuste hacen que los paneles de alta concentración no obtengan un rendimiento suficientemente alto como para entrar en funcionamiento. El seguidor en concreto es que se ha mostrado en la figura 2-3 del capítulo anterior. 3.1. Introducción a las Tecnologías de Concentración Los sistemas de energía fotovoltaica de concentración se categorizan de acuerdo a la cantidad de concentración solar que reciben, medida esta en “soles”. Estas pueden ser de alta o baja concentración, en función de la cantidad de soles, del presupuesto, de la capacidad de precisión que se tenga, etc. 3.1.1. LCPV Las lentes convencionales, o paneles fotovoltaicos de baja concentración (LCPV) reciben una cantidad de entre 2 y 100 soles. Esto les permite no tener un seguimiento activo de la trayectoria del sol, ya que los grados de incidencia de los rayos solares son bastantes amplios. Por lo general se utilizan células de silicio, pero por tener tan poca incidencia el flujo de calor se hace mínimo, haciendo que no sea necesario el uso de disipadores. Este tipo de paneles son los que se encuentran fijos en los tejados de hogares o industrias, apuntando su vector normal siempre a la misma dirección independientemente de donde se ubique el sol. En la siguiente imagen se muestra una panel solar de baja concentración usado para ACS. Figura 3-1 Panel fotovoltaico de baja concentración Panel de alta concentración 16 16 3.1.2. HCPV Los paneles fotovoltaicos de alta concentración son un tipo especial de paneles por su alto grado de precisión en cuanto a la dirección de la radiación incidida. Esta tecnología emplea una óptica de concentración basada en lentes Fresnel (o reflectores de platos concéntricos) que concentran la luz solar con intensidades mayores a 1000 soles. La principal diferencia con la tecnología de baja concentración es que en esta se hace necesario un seguimiento activo de la trayectoria del sol, debido a que el grado de incidencia de los rayos solares debe ser muy cercano a la normal al plano del panel para que el rendimiento sea aceptable. Con estos paneles se hace necesario el uso de disipadores, debido a la alta temperatura que puede alcanzarse en un momento determinado por la concentración de tantos haces de luz en una región tan pequeña. Se muestra a continuación una figura del panel de alta concentración con el que se trabajará a lo largo de este documento, el cual se encuentra colocado en el seguidor solar que se describió en el capítulo anterior. Figura 3-2 Panel fotovoltaico de alta concentración Esta tecnología de alta concentración obtiene resultados óptimos en función de la zona donde se ubique. Estas, por lo general, han de ser zonas que reciben una alta irradiación solar directa y en las que se alcanzan elevadas temperaturas. Esta tecnología está diseñada para soportar dosis muy elevadas de irradiación solar. Esto es medido en kWh/m2*día de energía luminosa proveniente del sol. En todo el mundo existen zonas más o menos apropiadas para la ubicación de estos paneles. Cabe destacar que España es uno de los mejores emplazamientos para instalar estos sistemas de cap6tación solar sobre seguidores. En la siguiente figura se muestra un mapa de España de las zonas mas favorables. Se observa la tendencia al sur que sigue la irradiación solar en un año completo, ya sea por su ubicación o por sus elevadas horas de sol. 17 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 17 Figura 3-3 Suma anual de irradiación global en España El uso de la tecnología HCPV no es en vano, sino que existen una serie de ventajas respecto a las tecnologías fotovoltaicas convencionales que hace que el uso de estas en determinados casos sea lo más apropiado. Algunas características de esta tecnologías son: -Flexibilidad: Esta tecnología es apta para plantas de muy variada potencia, desde 1MWp hasta varios MWp. -Eficiencia: Los coeficientes de temperaturas de los semiconductores usados mejoran considerablemente los resultados en campo de la tecnología de alta concentración. -Escalabilidad: Una planta cualquiera (varios seguidores, y paneles) puede ser escalada a mayores potencias con facilidad y sin ser necesario un nuevo desarrollo de sistemas y procedimientos -Inmediatez: El plazo de construcción y puesta en marca de una planta (o seguidor) con tecnología HCPV es muy corto. -Sostenibilidad medioambiental: Esta tecnología disminuye el impacto con el medio ambiente. -Economía del espacio: Las plantas ( o seguidor ) basadas en la tecnología HCPV requieren de una menor cantidad de terreno para su instalación. Es decir, el ratio kWh/M2 es my superior al de las tecnologías más primitivas o convencionales como el x-Si (silicio mono y policristalino) o las tecnologías de capa delgada como el CdTe ó a-Si. Panel de alta concentración 18 18 3.2. HCPV ISOFOTÓN GEN-2 El panel concreto es el de la figura 3-2 del apartado anterior, este panel de alta concentración pertenece a la tecnología HCPV de ISOFOTON, en concreto el modelo GEN-2. Obtiene energía eléctrica mediante la concentración de la luz del sol a través de un sistema óptico sobre células fotovoltaicas de alta eficiencia, las cuales obtienen dicha energía eléctrica mediante el conocido efecto fotoeléctrico. Este sistema obtiene una elevada producción de energía eléctrica con una superficie de semiconductores muy inferior a otros paneles convencionales. Las células solares de alta eficiencia son fabricadas con materiales semiconductores III-V. Disponen de un sistema óptico basado en 2 lentes de Fresnel, capaces de concentrar miles de veces la luz solar sobre células que transforman la luz del sol en energía eléctrica con un rendimiento de aproximadamente el 39%. En la siguiente figura se muestra un HCPV con todo detalle, incluyendo ambas lentes Fresnel, y como estas “modifican” la trayectoria de los rayos solares. En ella se ha supuesto que los rayos solares inciden perpendiculares al plano del panel, haciendo así que la eficiencia del mismo sea máxima. Como se observa, cada panel contiene 6 células solares, todas ellas conectadas en serie. Figura 3-4 Panel y célula solar de HC Esta concentración tan alta se consigue gracias a las lentes Fresnel, que como se explicó anteriormente, son lentes que concentran la luz solar en un punto muy pequeño, lo que reduce la cantidad de material requerido, haciendo que los costes se reduzcan. Por esto, se permiten el uso de células más eficientes, siendo de otra manera demasiado caro. En la figura siguiente se muestra un esquema de como actúan estas lentes ante la incidencia de rayos. 19 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 19 Figura 3-5 Lente Fresnel y ángulos de incidencia (de más a menos aceptable) En la figura anterior, se muestra a la izquierda la lente Fresnel. Se distinguen los círculos concéntricos usados para desviar la trayectoria de la luz hacia otra lente más pequeña que vuelve a agrupar los rayos en otro punto aún más pequeño. Este punto se trata de la célula solar propiamente dicha (semiconductor). En la parte derecha de la figura se muestran tres casos distintos, aunque ninguno de ellos 100% eficiente. Se muestra como los rayos solares inciden de forma no perpendicular al plano de la célula solar (o panel). Estos inciden con un ángulo θ distinto de 0. Cuanto mayor sea este ángulo, peor será el rendimiento de la célula. Hay un valor límite de θ (para este panel se sitúa entorno a los 2º) que hace que la potencia de salida de la placa caiga a valores mínimos. La potencia en función del ángulo de incidencia (θ) podría modelarse como una exponencial negativa cuando este ángulo se desplaza unos cuantos de grados de 90 (perpendicular). En la siguiente figura se observa como para valores cercanos a 90º, la potencia de salida se mantiene en niveles elevados, mientras que cuando el grado de incidencia comienza a alejarse de la normal al plano, esta potencia experimenta un descenso casi exponencial. La zona eficiente se puede considerar la que comprende entre 90º y una discrepancia de 1.5-2º como máximo respecto a este, aproximadamente. Para valores más altos, la célula (o panel) deja de ser eficiente en términos de potencia. El borde derecho de la zona eficiente se podría corresponder con el primer caso de la figura 3-4. Figura 3-6 Potencia de salida en función del ángulo de incidencia del rayo Panel de alta concentración 20 20 Como la potencia es fuertemente dependiente del ángulo de incidencia de los rayos solares, existirá un cono de luz para cada célula (idénticos) que indicará cual será la zona eficiente del panel. Esta zona indica la dirección límite de la que podrán proceder los rayos. En cualquier otro caso, si los rayos proceden con un ángulo mayor a θ se considerará que el panel está desajustado, siendo este no operativo bajo esas condiciones. En las siguientes figuras se muestra este cono de luz, una en 2D (vista superior paralela al plano) y la otra en 3D. Este patrón de luz se repite para las células restantes del panel. Figura 3-7 Cono de luz en 2D de la zona eficiente Figura 3-8 Cono de luz 3D de la zona eficiente 27 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 27 Se propone pues en este capítulo el sistema de bajo coste que reajuste dicha orientación de los paneles. El sistema sólo se aplica al sistema de referencia {3i}, en concreto a dos de sus tres puntos de apoyo con el perfil del seguidor. El fin será conseguir que los vectores normales al seguidor y al sensor solar, lo sean también con el del panel solar, es decir, Z3i || (Zs & X2). El sistema de monitorización de la orientación de paneles consiste el acoplar dos motores paso a paso a los puntos de apoyo del panel, haciendo que se puedan mover de forma lineal hacia arriba y abajo. Sendos motores se colocarán en el tramo corto superior del panel, mientras, la esquina anclada restante, permanecerá igual ( se le podría acoplar alguna rótula para mayor precisión, pero no se ha tenido en cuenta en este trabajo). Este sistema estará monitoreado por un autómata programable con una serie de funciones que se desarrollarán para este efecto concreto. El autómata programable (o PLC) necesitará de elementos externos como fuente de alimentación, drivers, etc.. y estará realimentado en todo momento por señales o sensores externos para indicar tanto la orientación del panel como de la ubicación del sol, así como finales de carrera. Los motores paso a paso no irán directamente acoplados a los anclajes de las esquinas del panel, sino que tendrán una acoplamiento en forma de cadena con dos piñones, uno al eje del motor y otro al de la placa, como se muestra en la siguiente figura. Figura 4-2 Disposición de los motores PaP y de las diferentes esquinas de la placa El ajuste se hará mediante un sensor solar independiente a cada panel ( aparte del que se ubica en la vela del seguidor ) que se describirá en capítulos posteriores. El fin de este sensor es corregir el pequeño error de paralelismo que tienen los sistemas {3i} y {S} (ó {2}) y mandarle esta información al PLC, que mediante el software programado en él, le mandará las órdenes necesarias a los drivers del motor para que se muevan de forma que se obtenga la orientación óptima. Justificación del prototipo 28 28 En la siguiente imagen se muestra el sistema completo a desarrollar, con todos los sistemas físicos que se han de implementar y con los sistemas de referencias más relevantes que se han de tener en cuenta para el cálculo de la orientación del panel. Dichos sistemas físicos pasarán a desarrollarse individualmente en el siguiente subapartado. En principio todos los sistemas irán anclados al perfil del seguidor, aunque no se entrará en ese detalle excepto para el acoplamiento del tonillo con el perfil y el panel. Figura 4-3 Prototipo completo a desarrollar 29 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 29 El hecho de introducir un nuevo sistema de referencia, el del sensor solar acoplado al panel, hace que la relación entre sistemas de referencia se modifique. En este caso, el nuevo sistema de referencia, {4}, será dependiente de {3}, que a su vez lo será de {2}. Aún así, mediante una realimentación de la orientación se llagará a que los tres sistemas de referencia ( {2}, {3} y {4} ) tendrán vectores directores paralelos. En la siguiente imagen se muestra esta nueva relación entre sistemas. Figura 4-4 Nueva relación entre sistemas de referencia 4.2. Sistemas del prototipo En este apartado se describirán los equipos necesarios para llevar a cabo el ajuste del panel. En primer lugar se describen los sistemas físicos, luego, el software usado para la programación del PLC con el programa concreto. En apartado siguientes, se detallará el funcionamiento de todo el conjunto de sistemas. La siguiente figura muestra la conexión entre sistemas, con diferentes “cables” que los interconectan entre sí. Tras la figura se definen todos y cada uno de esos cables, dándoles nombre e indicando que se señales manejan. Justificación del prototipo 30 30 Figura 4-5 Conexionado entre sistemas - 1: Cable de alimentación al driver de los motores. - 2: Cable de alimentación al PLC. - 3: Salidas con señales de accionamiento a los motores paso a paso. - 4: No es una señal, esta línea indica el movimiento lineal en el sentido de z3 producido por el giro de la transmisión, que a su vez proviene del motor paso a paso. Sería el acoplamiento transmisión-tornillo. - 5: Diferentes señales de los módulos especiales EHC200 del PLC ( se describen más adelante ). Se tratan de 3 señales por módulo. - 6: Diferentes señales procedentes de sensores, que sirven para obtener de una u otra forma una realimentación del sistema. Por ejemplo el sensor de HOME. - 7: Señal proveniente del sensor solar con información válida para el ajuste del sistema. En este caso la información es mediante MODBUS, por lo que se ha añadido este bloque al bastidor del PLC. - 8: Canales opcionales de entrada y salida al PLC. Con esto un usuario podría disponer de una interfaz hombre-máquina (HMI) con las entradas y salidas del sistema para facilitar la maniobrabilidad del mismo, y así poder darle en un momento dado una señal externa que actúe sobre el sistema. 31 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 31 4.2.1. Autómata programable: Modicon M340 deSchneider Electric 4.2.1.1. Introducción El dispositivo usado para el manejo de los motores paso a paso ha sido un PLC de la marca Schneider Electric, en concreto, el modelo M340 de la serie Modicon . Este se trata de un controlador lógico programable diseñado para entorno industriales, y que permite una instalación rápida y flexible. Tiene varias ventajas frente a otros autómatas, ya que incorpora un simulador integrado que permite probar su programación antes de ser mandada al sistema físico, lo que ayuda a evitar posibles riesgos en cualquier industria. Otra ventaja de este autómata es que permite la incorporación de módulos externos que, según el fin del proyecto, interesan añadirlo. En este caso, necesitaremos dos tarjetas rápidas EHC200. Figura 4-6 PLC Modicon M340 En este proyecto concreto, el PLC realizará dos tareas fundamentales para garantizar el correcto funcionamiento del sistema: - Enviará al driver de los motores las señales pertinentes para que los motores se muevan de una determinada forma que haga que la orientación del panel sea la óptima. - Recibirá y tratará las señales provenientes de los sensores externos, como fines de carrera o el propio sensor solar, que realimenta en todo momento la posición (orientación) del sol. Justificación del prototipo 32 32 4.2.1.2. Datos técnicos y características Software de programación: - Unity Pro XL - 6 lenguajes de programación - Incluye una multitud de librerías de procesos Flexibilidad: - Se pueden instalar 4,6,8 o 12 tarjetas para bastidores - Se puede expandir y conectar con otros autómatas - Permite la instalación de tarjetas de entrada y salida digitales y analógicas Alta densidad: - Incluye 64 canales de entrada y salida digitales - Incluye 8 canales de entrada y salida analógicas Mantenimiento: - Incluye visor de diagnóstico integrado - Permite mantenimiento en remoto - FDT/ DTM. Admite tecnología estándar para la comunicación de los dispositivos de campo y las herramientas de ingeniería. Así, el software que tenga integrado FDT puede configurar, monitorizar, y diagnosticar dispositivos que tengan DTM de cualquier fabricante, siempre que estén conectados entre sí a través de cualquier tipo de bus. 4.2.1.3. Módulos instalados: EHC200 y configuración del mismo Como se comentó anteriormente, este dispositivo admite una gran variedad de módulos a instalar además de la fuente de alimentación, el procesador BMX P34 (CPU) . Para este proyecto en concreto, será necesario el uso de dos módulos adicionales, dos tarjetas rápidas EHC200, también de Schneider Electric.En la figura siguiente se observa el bastidor completo con estos módulos. Esta tarjeta se trata de un módulo (externo al M340) de contaje. Esta se usa para contar los impulsos generados mediante un captador o para tratar las señales de un codificador incremental. Este módulo se diferencia por su número de vías de contaje, las frecuencias altas de entrada con las que puede trabajar, sus funciones, sus interfaces en entrada y salidas auxiliares. La tarjeta puede instalarse en cualquier slot disponible en el bastidor de l estación del M340, menos en la posición de la alimentación y la CPU. Se conectan y desconectan en tensión. 33 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 33 Figura 4-7 Bastidor con 4 slots de M34 La tarjeta dispone de circuitos específicos para generar trenes de pulsos, de sincronización, contabilización de señales, actuación refleja, etc. Los parámetros de este módulo han de configurarse mediante el software Unity Pro XL. Este módulo o tarjeta dispone de dos canales (CH0 y CH1), que se computan a una frecuencia máxima de 60 kHz. La tarjeta trabaja con su propio procesador y se comunica con la CPU cada cierto tiempo de forma implícita mediante un bus de comunicación ( ver figura 4-5). Esta tarjeta trabaja con el concepto de salida refleja, es decir, cuando un evento se cumple, se actúa inmediatamente o de forma refleja sobre la salida o sobre alguna variable que dependa de ella. El procesador propio de la tarjeta es el que puede efectuar dicha acción refleja, y no el procesador del autómata (CPU lenta). El uso de la tarjeta en el proyecto recae en la lentitud de movimientos del motor sólo con la CPU (orden de Hz). Por este motivo la CPU debe delegar las tareas generación de señales de alta frecuencia y contadores rápidos en esta tarjeta. Figura 4-8 Módulo de contaje EHC200 1 2 3 4 Justificación del prototipo 34 34 En la imagen anterior, se observan unos números que corresponden a diferentes zonas del hardware de la tarjeta rápida. Se tratan de: 1: Indicadores LED del estado del módulo. 2: Conector de 16 pins para los sensores ( entradas ) del canal 0. 3: Conector de 16 pins para los sensores ( entradas ) del canal 1. 4: Conector de 10 pins para conectar salidas auxiliares y/o fuentes de alimentación. De aquí saldrán las salidas al driver de los motores. El módulo de conteo dispone de dos conectores de 16 pins correspondientes a los canales 0 y 1 y un conector de 10 pins correspondiente a las salida. Los indicadores LED son usadas para saber en todo momento el estado en el que se encuentra la tarjeta. En función de los LEDs que estén encendidos, apagados o parpadeando, se tendrá una información de su estado actual. En las siguientes figuras se muestra la ubicación física de los números de pin con el nombre y la descripción de cada uno de ellos. En primer lugar se nuestra el conector de entrada (idéntico para ambos canales) y luego el de salida. Figura 4-9 Símbolo y descripción de cada pin de entrada de canal Figura 4-10 Símbolo y descripción de cada pin de salida 35 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 35 La tarjeta permite la utilización de dos tipos de sensores, de proximidad (capacitivos, inductivos, fotoeléctricos, de proximidad...) y codificadores de señal incremental. En este proyecto se hará uso del sensor de proximidad fotoeléctrico con forma de horquilla, el cual se desarrollará en capítulos posteriores. En la siguiente figura se muestra la configuración en cuanto al conexionado de sensores a la hora de conectarlos con la tarjeta. En la figura, cada número se refiere a: 1: Entrada IN_A 2: Entrada IN_B 3: Entrada IN_SYNC (entrada de sincronización) 4: Entrada IN_EN (entrada de habilitación) Figura 4-11 Conexionado de sensores con canal de la tarjeta En cuanto a la conexión de alimentaciones de salida y actuadores con el conector de salida de 10 pins, se muestra la siguiente figura donde cada número fuera del conector tiene una descripción: 1: Alimentación 24 V para actuadores 2: Alimentación 24 V para sensores 3: Actuador de la salida Q0 del canal de conteo 0 4: Actuador de la salida Q1 del canal de conteo 0 5: Actuador de la salida Q0 del canal de conteo 1 6: Actuador de la salida Q1 del canal de conteo 1 Justificación del prototipo 36 36 Figura 4-12 Conexionado de salida. Para tener una imagen más gráfica y completa del hardware de la tarjeta con las entradas y salidas de los canales 0 y 1, se tiene la siguiente figura, que relaciona cada posición (puntos negros) con el tipo de entrada o salida de la tarjeta que se han definido anteriormente. Esta configuración sería idéntica en ambas tarjetas, es decir, lo correspondiente a los bloques 2, 3 y 4 de la imagen anterior. Figura 4-13 Entradas y salidas de la tarjeta rápida EHC200 43 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 43 5.1. Sensor Solar: ISS-DX Solar MEMS El sistema de referencia {4} se trata de un sensor solar, en este caso se usará el sensor solar ISS-DX, un sensor solar digital con comunicación MODBUS, de la empresa andaluza Solar MEMS. Este sensor, como se puede apreciar en la figura anterior, mide el ángulo de incidencia de un rayo solar en dos ejes ortogonales entre sí (xey). Presenta una muy alta precisión y sensibilidad ante cambios de orientación. Aunque para este trabajo se ha elegido este sensor concreto, no es el único que podría usarse. Hay multitud de sensores solares con similares características. En este caso, el ISS-DX es muy cómodo debido a que da directamente la descomposición en ángulos ortogonales del ángulo de incidencia. Figura 5-2 Sensor solar ISS-DX de Solar MEMS El detector del sensor de divide en cuatro cuadrantes como se ve en la imagen siguiente. El rayo solar entrará por una especie de orificio llamado ventana e incidirá con más o menos intensidad en uno de los cuadrantes. La precisión del sensor es inversamente proporciona a lo que se conoce como campo de visión (FOV, por sus siglas en inglés), es decir, a menor campo de visión, mayor precisión en la medida. En este caso nuestro sensor solar tendrá un campo de visión de 10º, o lo que es lo mismo, su cono de apertura tendrá un ángulo máximo de 10º. Esto último quiere decir que el rayo incidente podrá tener como máximo una amplitud de 5º respecto al eje z. Figura 5-3 Cuadrantes del sensor ISS-DX Elección de sistemas de referencia 44 44 El sensor solar, que tiene una resolución de la radiación de 1 W/m2 y una radiación máxima incidente de 1200 W/m2, presenta las siguientes características generales. Tabla 5-1 Características generales del sensor El sistema de referencia {4} es el que se muestra en las siguientes imágenes. Este sensor irá anclado al panel de tal manera que todos los ejes coordenados de {3} y {4} sean paralelos ( independientemente si coinciden x con y, por ejemplo). Figura 5-4 Sistema de referencia del sensor: {4} 45 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 45 El ángulo con que los rayos solares inciden en el fotoreceptor del sensor se divide en dos, angleX yangleY. Estos dos ángulos son los que separa a las rectas imágenes en el plano X y plano Y respecto al eje perpendicular Z. La precisión del sensor aumenta cuanto menor son los ángulos angleX yangleY. Figura 5-5 Referencia para ángulos medidos Figura 5-6 Ángulos límite Elección de sistemas de referencia 46 46 Como se ha comentado en capítulos anteriores, el ángulo de incidencia del los rayos solares en la célula solar ha de ser menor o igual a 1.5º respecto a su normal para que el panel sea eficiente energéticamente en la conversión. El sensor solar, que tiene un campo de visión (FOV) de 10º o lo que es lo mismo, un ángulo de incidencia de los rayos de 5º máximo, permite el ajuste dinámico del panel si los rayos incidentes se encuentran con una desviación entre 0 y 5º respecto a la normal. Si este ángulo es mayor, no se podrá hacer el ajuste. La figura anterior muestra estas dos zonas, la primera (en azul) muestra la zona eficiente donde la célula (la del panel solar) estaría haciendo correctamente la conversión de energía. La segunda (en gris), que también contempla la primera, representa la zona en la que el sensor solar estaría percibiendo los rayos solares. Si los rayos inciden con un ángulo mayor a 5º en la ventana del sensor solar, este no podrá mandarle la información correspondiente al PLC, enviando así algún valor de los que muestra la figura 5-9. La información válida para el cálculo de la orientación, que se procesará en el PLC y se le enviará como pulsos a los motores son estos dos ángulos. La información se proporciona a través de una canal UART RS485 (configuración master-slave ). Esta configuración le permite obtener al sistema la información requerida del ISS-DX cuando se le solicite Se recomienda no usar una frecuencia de muestreo mayor a 10 Hz. Figura 5-7 Tiempos de espera de comunicación La siguiente información es un paquete de datos para validar las medidas. Indica si el sensor solar recibe suficiente radiación, o si detecta el Sol fuera de su campo de visión (FOV). El paquete de datos es un byte con el siguiente significado según su valor: 47 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 47 Tabla 5-2 Información adicional del sensor La caja del sensor está compuesta por una carcasa superior e inferior, ambas de aluminio 6082. Tiene una buena resistencia a la corrosión. La carcasa superior tiene una capa protectora de anodizado y es negro lacado, en cambio, la carcasa inferior tiene una capar protectora de color mate. En cuanto al cableado eléctrico de sus puertos externos y a sus dimensiones, se prestan las siguientes imágenes. Elección de sistemas de referencia 48 48 Figura 5-8 Conexionado eléctrico del sensor ISS-DX Figura 5-9 Dimensiones del sensor ISS-DX 5.2. Sensor fotoeléctrico para operación de HOMING Para hacer la operación de HOMING que se detallará en el capítulo 7 se usarán dos sensores tipo barrera como el que se muestra en la figura 5-11. Estos sensores irán conectados al canal 1 de cada una de las tarjetas, a la variable correspondiente para su detección. El sensor tiene un ancho de horquilla de 20 m, una frecuencia de conmutación de 5000 Hz, modo luz y una alta protección IP67 (resistencia al polvo y al agua). La luz transmitida es roja, sincronizada y la salida con conmutación PNP. El objeto más pequeño detectable es de 0.4 mm de diámetro, pero la placa que se usará para la detección ocupará más del ancho del sensor. Se conecta mediante tres cables, correspondiendo dos de ellos a la alimentación y otro a la propia señal de detección o sincronismo (ver figura 4-10). 49 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 49 Estos sensores trabajan en el rango de tensiones de 10-35 V, por lo que se tendrá que tener una fuente de alimentación externa. Recordar que también es necesario alimentar externamente el driver, por lo que sería idóneo usar la misma para los sensores y el driver. Puede trabajar en un amplio rango de temperaturas, desde -10 º a 60º, que teniendo en cuenta que estará en el exterior, es un aspecto muy a tener en cuenta. Figura 5-10 Barrera fotoeléctrica de horquilla de Eickmann Electronik El sensor trabajará por flancos, es decir,en operaciones de homing, cuando el sensor detecte o deje de detectar la placa , será que la posición HOME que se busca ha sido detectada. Para ello es necesario una buena fijación del sensor y de la plaquita de aluminio al perfil del seguidor y al panel solar, respectivamente. 6 CÁLCULOS Y FUNCIONAMIENTO 6.1 Cálculos Lo que se refiere a los cálculos de este proyecto son las ecuaciones (en principio geométricas) que se tendrían que aplicar para obtener una buena orientación del panel. Se describen primero de forma general, para luego especificar para el panel de ISOFOTON. Como es sabido, los movimientos de avanceYZ y avanceXZ son totalmente independientes el uno de otro. El primero de ellos anula la componente “y” del rayo solar (angleY) girando entorno al vector OX3, mientras que el segundo anula la componente “x” (angleX) girando entorno a OY3. El movimiento de una de las esquinas no debería afectar a la orientación de la otra debido a que cada agujero tiene cierta tolerancia, actúa como una especie de rótula sólo para valores muy pequeños de desplazamiento vertical, como es el caso de este trabajo. Trigonométricamente se observa que la relación entre los ángulos de incidencia y los avances de las diferentes esquinas tal y como están definidos los sistemas de referencia son (ver figura 6-1): ��������=�����× tan(−������) ��������=���ℎ�× tan(−������) Figura 6-1 Panel con ángulos y avances 51 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 51 Estos avances hay que traducirlos en pulsos de motor. Los motores paso a paso que se usarán tienen un paso de 1.8 grados por pulso. Es decir, en una vuelta completa se tendrán 200 pulsos, y como el avance del tornillo (que en realidad lo avance el panel) es de 12.5 mm por vuelta, la cantidad de pulsos necesarios a enviar al driver de los motores para obtener el avance dado serían: ������� = 200×�������� 12.5 ������� = 200×�������� 12.5 Juntando los dos conjuntos de ecuaciones anteriores queda la cantidad de pulsos necesarios en función del ángulo de incidencia de una de los dos coordenadas. Esto es: �������= 200×�����×���(−������) 12.5 ������� = 200×���ℎ�×���(−������) 12.5 Para este proyecto concreto, con una dimensiones entre tornillos de 500x488 mm, se obtiene la relación entre los pulsos de motor y el ángulo de inclinación de las componentes en las que se divide el rayo sola en el plano XY e YZ. ������� = ����×����(−������) ������� = ����×����(−������) Los pulsos pueden ser positivos o negativos según como estos están definidos en las ecuaciones anteriores. Que puedan ser positivos o negativos es necesario para saber la dirección en la que girará el motor, aunque al driver del motor no tiene sentido que le lleguen pulsos negativos, por lo que por programa habrá que sacar el valor absoluto de los mismos y enviar dicha cantidad al driver. El giro en un sentido u otro se hará con otra variable. Los pulsos que hacen al motor girar en sentido antihorario harán al panel moverse hacia abajo (el tornillo se introduce más dentro del agujero), viceversa El panel, como se ha explicado en capítulos anteriores, tiene un FOV de 3º, es decir, de 1.5º respecto a su normal. Como se comentará en el siguiente capítulo, el agujero del tornillo en el panel tiene una longitud de 20 mm, ±10 mm si el origen estáen medio del agujero (HOME) (ver figura 7-3.). Según los cálculos anteriores, para el ángulo límite de 1.5º se tendría un avanceYZ (por ejemplo) de -13.22 mm, pasando del límite máximo teórico de los 10 mm. Por ello, se parte en las siguientes tablas que relacionan ángulos, avances y pulsos de motor se parte de 1.2º, que es el primero que se saldría del rango de ángulos válidos. El rango válido para ambas tablas será de [1.1º, -1.1º]. Se han descrito únicamente los ángulos positivos, ya que la tabla quedaría exactamente igual para los negativos, haciéndose en este caso el avance y los pulsos (dirección) positivos. Cálculos y funcionamiento 52 52 Tabla 6-1 Relación entre angleY, avanceYZ y pulsosYZ AngleY (º) AvanceYZ (mm) PulsosMotorYZ 1.2 -10.57 -169 1.1 -9.69 -155 1 -8.81 -141 0.9 -7.93 -127 0.8 -7.05 -113 0.7 -6.17 -99 0.6 -5.28 -84 0.5 -4.40 -70 0.4 -3.52 -56 0.3 -2.63 -42 0.3 -1.76 -28 0.1 -0.88 -14 0.0 0.00 0 59 59 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 7.2 Función Acoplamiento Esta función es sencilla y de cierto aspecto geométrico, ya que su único propósito es pasar de pulsos de motor a unidades de ingeniería (normalmente milímetro). La relación entre estas dos variables se consigue con el avance, que en este proyecto se considerará de 1. Sirve de nexo entre la función de motor y la inmediatamente superior de dispositivo, no cambiando en ningún momento el valor de ninguna variable. En cuanto a las entradas, salidas y entradas/salidas (para la propia realimentación de la función) de la capa MOTOR se describen a continuación. Se describirán las de un sólo motor (o esquina), ya que a pesar de que pueden tomar valores distintos al mismo tiempo, tienen la misma funcionalidad. Estas variables de entrada y salida serán independientes para cada motor, no afectando las de un motor al otro. - Entradas: RefPosVirtual : Variable que fija la posición en pulsos a la que se pretende llegar. Puede ser tanto positiva como negativa. Este signo indica el sentido de giro del eje. Hz : Variable que indica la frecuencia de movimiento de los motores. STOP : Variable binaria que detiene el motor en cualquier circunstancia de forma súbita, sin afectar a su funcionamiento una vez que se reanude el movimiento, es decir, se queda “congelado”. Avance: Relación entre pulsos y unidades de ingeniería (mm). En este caso valdrá 1, por lo que los pulsos serán en todo momento del mismo orden que las unidades de ingeniería. - Salidas: PosVirtual: Variable que da la posición en pulsos del eje del motor, hasta llegar al número de pulsos dado por RefPosVirtual. ESTADO: Variable que indica el estado en el que se encuentra el motor. 0: El motor está en la referencia. 1: El motor se encuentra en movimiento. 2: Motor en STOP. 3: Herzios menor que 0. 4: Avance menor o igual a 0 - Entradas-Salidas: ( son un tipo de estructura de entrada-salida para la propia realimentación de las demás funciones, ya que esta no utiliza la tarjeta): Canal0_PWM : Estructura del canal 0 configurado en modo generador de pulsos. De este canal saldrán las salidas del tren de pulsos y dirección para el motor. Canal1_CONTADOR : Estructura del canal 1 configurado en modo contador libre de 32 bits. La habilitación para el motor saldrá de este canal, más una salida refleja al canal 0. Existen más variables internas de la función, que no se explicarán individualmente pero que se podrán observar comentarios en el código de la función. Este se presenta en el ANEXO de este documento, con comentarios embebidos dentro del propio código para clarificar su uso. Funciones para el manejo de motores 60 60 7.3 Función Dispositivo Para esta función lo que se intenta conseguir es definir la zona de trabajo del sistema motor-acoplador, junto con los diferentes elementos auxiliares que definen ciertos límites o referencia. Se tendrán una serie de argumentos de entrada fijos que definirán el área de trabajo del sistema completo, ya que esta función, además de incorporar las entradas de la anterior función, también incorpora dos sensores fotoeléctricos para hacer la operación de homing (resetear el sistema para volver a un punto conocido y bien definido). Los sensores se ubican en cada una de las esquinas móviles (ver apartado 5.2 ). Esta función relaciona argumentos de los cuales dependerán otros distintos aguas abajo de esta función, es decir, las de las funciones ACOPLAMIENTO yMOTOR. . En la figura 7-1. se observa esta jerarquía. Será necesario saber de antemano el avance del acoplamiento intermedio entre la entrada y la salida. En este caso sabemos que entre el motor y el efector final se encuentra un mecanismo de cadena-piñón con relación de transmisión de 1:1 (mismas vueltas en la entrada que en la salida) y un tornillo de métrica 8, al cual va acoplado uno de los piñones. Este tornillo tiene un avance por vuelta de 12.5 mm. Sólo rota entorno al punto fijo del perfil del seguidor, ya que no avanza gracias al par de tuercas contrarroscadas que posee en dicho perfil. En la siguiente figura puede observarse el acoplamiento completo, cuya relación global es de 12.5 mm lineales por 1 vuelta de motor en el caso de este trabajo. Si se traduce en pulsos de motor (200 pulsos por vuelta completa) se tiene una relación global de 12.5 mm por 200 pulsos, o lo que es lo mismo, 0.0625 mm por 1 pulso de motor. Un giro antihorario en el eje de giro del motor producirá un descenso de la esquina del panel donde se ubique este. Por contraposición, un giro horario producirá un avance de la esquina del panel. Observar en la figura siguiente como un giro horario del eje motriz produce el cambio en la orientación del panel que se observa (de nan’) haciendo así que el vector normal n’ se haga paralelo al de incidencia de los rayos solares ( I). 2 Figura 7-2 Acoplamiento del sistema 2Tener en cuenta que el sentido de avance de una tuerca sobre un tornillo es girando este último en sentido horario. 61 61 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración En cuanto a las entradas, salidas y entradas/salidas (para la propia realimentación de la función) de la capa DISPOSITIVO se tiene (se describirán las de un sólo motor, ya que al ser independientes uno de otro, serán exactamente iguales): -Entradas: RefPosVirtual : Variable que fija la referencia, en mm, de la posición a la que se pretende llegar con el efector final. Avance : Relación entre pulsos y unidades de ingeniería (mm). En este caso valdrá 1, por lo que los pulsos serán en todo momento del mismo orden que las unidades de ingeniería. Hz: Variable que indica la frecuencia de movimiento del motor. STOP: Variable binaria que detiene el motor en cualquier circunstancia de forma súbita, sin afectar a su funcionamiento una vez que se reanude el movimiento, es decir, se queda congelado. Carrera : Variable que se define como la longitud (en mm o pulsos) en la que el efector final (panel sobre tornillo) tiene permitido el movimiento, considerando el punto de partida como la posición HOME. Esta carrera se divide en dos, quedando el HOME en el centro de esta, como se observa en la figura 7-3 OffsetHOME: Variable que da los pulsos a desplazarse desde que se sincroniza el sensor HOME con la tarjeta hasta la posición nueva inicial que se quiera definir. Normalmente suele ser 0, pero se deja a elección del usuario. -Salidas: Posicion : Variable que da la posición en pulsos del eje del motor, hasta llegar al número de pulsos dado por RefPosVirtual . ESTADO: Variable que indica el estado en el que se encuentra el motor. 0: El motor está en la referencia. 1: El motor se encuentra en movimiento. 2: Motor en STOP. 3: Herzios menor que 0. 4: Avance menor o igual a 0 11 : Si se llega a las posiciones límites de ±Carrrera/2 - Entradas-Salidas: ( son un tipo de estructura de entrada-salida para la propia realimentación de la función): Canal0_PWM : Estructura del canal 0 configurado en modo generador de pulsos. Canal1_CONTADOR: Estructura del canal 1 configurado en modo contador libre de 32 bits. En este caso, el sensor se conectará al canal 1 de la tarjeta, asignándole la variable de la estructura SYNC_REF_FLAG, con la entrada física IN_REF (ver figura 4.10). HOMEOk : Argumento de entrada/salida que sirve para iniciar el procedimiento de búsqueda de Home en caso de desajuste (‘0’), o para indicar que dicha posición ya se ha encontrado con éxito (‘1’). El procedimiento del procedimiento de Homing se detalla en el apartado de MueveDispositivo del Anexo. El código de esta función se presenta en el ANEXO de este documento, con comentarios embebidos dentro del propio código para clarificar su uso. Funciones para el manejo de motores 62 62 Figura 7-3 Dispositivo: límites geométricos y sensor de HOME 7.4 Función Panel Esta es la última o más superficial de las funciones. En ella se reciben todos las variables de entrada del sistema, además, ella misma obtiene mediante ciertas relaciones otras variables que les servirán de entrada a las funciones aguas abajo. Básicamente lo que hace es pasar del ángulo (en grados) del rayo incidente en el plano correspondiente a pulsos de motor según las ecuaciones del apartado 6.1, además de pasarle argumentos de entrada a las funciones de abajo como puede ser una parada con STOP o una búsqueda de home con HOMEOK. -Entradas: Avance : Relación entre pulsos y unidades de ingeniería (mm). En este caso valdrá 1, por lo que los pulsos serán en todo momento del mismo orden que las unidades de ingeniería. Hz: Variable que indica la frecuencia de movimiento del motor. 63 63 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración STOP: Variable binaria que detiene el motor en cualquier circunstancia de forma súbita, sin afectar a su funcionamiento una vez que se reanude el movimiento, es decir, se queda congelado. Carrera : Variable que se define como la longitud (en mm o pulsos) en la que el efector final (panel sobre tornillo) tiene permitido el movimiento, considerando el punto de partida como la posición HOME. Esta carrera se divide en dos, quedando el HOME en el centro de esta, como se observa en la figura 7-3 OffsetHOME: Variable que da los pulsos a desplazarse desde que se sincroniza el sensor HOME con la tarjeta hasta la posición nueva inicial que se quiera definir. Normalmente suele ser 0, pero se deja a elección del usuario. PULxRev : Pulsos de motor por revolución. Normalmente este argumento vale 200, pero según el driver del motor puede cambiar hasta 400, 600 o 1200 pulsos por revolución. AvanceTornillo : Paso del tornillo. En este caso será de 12.5 mm lineales por revolución del tornillo. Dist : Distancia en milímetros entre el punto fijo y el eje secundario del acoplamiento, es decir, el eje que mueve el panel hacia arriba o abajo. Angle: Ángulo de incidencia del rayo solar reflejado en el plano XZ o YZ según corresponda. A partir de este argumento el sistema podrá ajustarse para conseguir hacer a este cero. Recordar que este ángulo ha de ser muy pequeño debido a las limitaciones de la carrera y la distancia entre el origen y el punto de avance. AngleNeg :Variable binaria que indica se Angle es positivo a negativo, según la dirección de incidencia del rayo en el sistema de referencia fijado por el sensor solar. -Salidas: PosPulsos : Variable que da la posición en pulsos del eje del motor. RP: Argumento de salida que da la referencia en pulsos después de hacer una serie de relaciones matemáticas con algunos de los argumentos de entrada. Ver anexo de MuevePanel y apartado 6.1 ESTADO: Variable que indica el estado en el que se encuentra el motor. 0: El motor está en la referencia. 1: El motor se encuentra en movimiento. 2: Motor en STOP. 3: Herzios menor que 0. 4: Avance menor o igual a 0 11 : Si se llega a las posiciones límites de ±Carrrera/2 - Entradas-Salidas: ( son un tipo de estructura de entrada-salida para la propia realimentación de la función): Canal0_PWM : Estructura del canal 0 configurado en modo generador de pulsos. Canal1_CONTADOR: Estructura del canal 1 configurado en modo contador libre de 32 bits. En este caso, el sensor se conectará al canal 1 de la tarjeta, asignándole la variable de la estructura SYNC_REF_FLAG, con la entrada física IN_REF (ver figura 4.10). HOMEOk : Argumento de entrada/salida que sirve para iniciar el procedimiento de búsqueda de Home en caso de desajuste (‘0’), o para indicar que dicha posición ya se ha encontrado con éxito (‘1’). 8 ANEXOS 8.1 Pantalla de Operador Figura 8-1 Pantalla de Operador 65 65 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 8.2 MueveMOTOR ANEXOS 66 66 Figura 8-2 Función MueveMOTOR 67 67 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración 8.3 MueveACOPLAMIENTO Figura 8-3 Función MueveACOPLAMIENTO ANEXOS 68 68 8.4 MueveDISPOSITIVO 75 75 Diseño de Sistema de Alineación de Paneles Solares de Alta Concentración