UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA PROYECTO DE GRADUACION “DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA UN CONCENTRADOR DE LUZ SOLAR AUTONOMO.” PROYECTO DE GRADUACIÓN PARA OPTAR AL GRADO DE: INGENIERO EN ELECTRONICA PRESENTADO POR: JOSE JAVIER VELASQUEZ DURON MARZO 2003, CIUDADELA DON BOSCO UNIVERSIDAD DON BOSCO FACULTAD DE INGENIERIA PROYECTO DE GRADUACIÓN “DISEÑO DE LA ETAPA DE CONTROL PARA UN CONCENTRADOR DE LUZ SOLAR AUTONOMO.” COMITE EVALUADOR F._____________________________ Ing. Oscar Durán Vizcarra (Asesor) F.______________________ F.______________________ Ing. Sergio Adrián Martín Ing. Edgardo Cruz Zeledón (Jurado) (Jurado) MARZO 2003, CIUDADELA DON BOSCO DEDICATORIA Al Señor Jesús por guiarme en los caminos correctos tanto en lo personal como en mi vida académica. A mis padres Lic. José Rolando Velásquez Joya y Dra. Mabel Alicia Durón de Velásquez por haberme brindado todo el apoyo, paciencia y comprensión durante mi carrera académica. A mis hermanas Lic. Allyson Verónica Velásquez de Trew y Dra. Michelle Velásquez Durón por apoyarme y darme ánimo. A mi Tío Ingeniero José Lino Bran quien me guió durante toda la realización de este proyecto de graduación. A mi Asesor Ingeniero Oscar Duran Vizcarra quien siempre ha sido accesible y receptivo todo el tiempo que he necesitado para consultas. A la Institución Salesiana por haberme brindado no solo los conocimientos académicos sino que todos aquellos necesarios para ser una persona de mucha calidad en lo profesional/personal. PREFACIO El Capítulo I contiene el objetivo general, objetivos específicos que se desean abarcar así como también los alcances y limitaciones que conlleva dicho proyecto de graduación. El Capítulo II menciona brevemente la historia de cómo surgieron dichas tecnologías y las causas que impulsaron su desarrollo; a la vez contiene una breve referencia de los tres tipos más comunes de plantas de concentración de luz solar. El Capítulo III es una leve referencia a la astronomía, la cual es la base de algunas de las ideas usadas para el control de seguimiento en este prototipo. El Capítulo IV contiene la parte mecánica del proyecto de graduación donde se abarcan las diferentes opciones de diseño del marco parabólico, lista de materiales, costos, análisis, consultas a través de Internet y material didáctico necesarias para la fabricación del prototipo de concentrador; también se incluyen las descripciones y análisis de los diferentes módulos que conforman el prototipo con sus respectivos dibujos. El Capítulo V contiene la parte electrónica del proyecto de graduación en la cual se engloba tanto el hardware como software necesarios para crear la etapa de control de seguimiento del prototipo de concentrador parabólico, también incluye las pruebas tanto de campo como de laboratorio, lista de materiales y costos de construcción. INDICE Pág. CAPITULO I 1.1 OBJETIVOS 1 1.1.1 OBJETIVO GENERAL 1.1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 1.2 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.2.1 ALCANCES 1.2.2 LIMITACIONES 2 CAPITULO II 2.1 HISTORIA DE LOS CONCENTRADORES DE LUZ SOLAR 3 2.2 INTRODUCCION A LOS DIFERENTES TIPOS DE TECNOLOGÍAS PARA LA CONCENTRACIÓN DE LUZ SOLAR 4 2.3 TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES 2.3.1 TORRES SOLARES DE ENERGIA 2.3.2 PLANTAS SOLARES DE COMBINACIÓN PLATO/GENERADOR 2.3.3 PLANTAS PARABOLICAS CAPITULO III 3.1 LA TIERRA 5 3.2 MOVIMIENTO DEL SOL 6 3.3 COORDENADAS PARA ESPECIFICAR LA POSICIÓN DEL SOL CAPITULO IV 4.1 PARTE MECANICA. PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO. 8 4.1.1 DESCRIPCION GENERAL 4.2 MODULOS QUE CONFORMAN EL PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO 9 4.3 DIBUJOS ESQUEMATICOS DEL PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO 12 4.3.1 CURVA PARABOLICA 4.3.2 ARCO DE SOPORTE 4.3.3 RIGIDEZ 4.3.4 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO DE ELEVACIÓN 4.3.5 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO AZIMUTAL 13 4.3.6 RECIBIDOR LINEAL (PUNTO FOCAL) 4.3.7 ENSAMBLAJE 4.3.8 SISTEMA DE CONTRAPESOS 4.3.8.1 CALCULO DE SOPORTE DE CONTRAPESOS (Z) 15 4.3.9 SISTEMA REFLEXIVO DE LUZ SOLAR 16 4.4 LISTA DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN 4.5 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN 17 4.5.1 GRAFICA DE COSTOS DE CONSTRUCCIÓN 18 CAPITULO V 5.1 PARTE ELECTRÓNICA 19 5.1.1 DESCRIPCION GENERAL 5.1.1.1 HARDWARE 5.1.1.2 SOFTWARE 24 5.2 MODULOS ESPECIFICOS DE HARDWARE 27 5.2.1 MICROCONTROLADOR 68HC12A4 5.2.1.1 CONVERTIDOR ANÁLOGO DIGITAL 5.2.1.2 SISTEMA DE TEMPORIZACIÓN 28 5.2.1.3 SISTEMA DE COMUNICACIONES SPI 29 5.2.2 DS1305 RELOJ SERIAL (RTC) 30 5.2.3 ECS-3X8 OSCILADOR DE CRISTAL 32 CON FRECUENCIA DE 32,768KHz 5.2.4 CIRCUITOS DIVISORES DE VOLTAJE 5.2.5 A3952SB CONTROLADORES DE MOTORES TIPO H 33 5.2.6 DMC-20434 VISUALIZADOR LCD 35 5.2.7 INTERRUPCION MANUAL 5.3 MODULOS ESPECIFICOS DE SOFTWARE 36 5.3.1 SUBRUTINA INIT 5.3.2 SUBRUTINA DATE_INIT 37 5.3.3 SUBRUTINA TME_INIT 5.3.4 SUBRUTINA DES_METHOD 5.3.5 SUBRUTINA MET_ACT 38 5.3.6 SUBRUTINA MET_PROG 39 5.3.7 SUBRUTINA RETURN 5.3.8 SUBRUTINA INIT_ST 5.3.9 SUBRUTINA TIMING 5.4 PROGRAMACION Y PRUEBAS 5.5 LISTA DE MATERIALES Y EQUIPOS 42 5.6 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN 43 5.6.1 GRAFICA DE COSTOS DE CONSTRUCCIÓN RECOMENDACIONES 45 CONCLUSIONES 46 ANEXOS 47 BIBLIOGRAFÍA 110 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ INTRODUCCION El proyecto consiste en diseñar, construir y poner en funcionamiento un sistema de control de seguimiento para un prototipo de concentrador solar parabólico el cual conlleva una parte mecánica y otra electrónica. La parte mecánica consiste en la construcción de un prototipo de concentrador solar a base de Hierro (Fe), ya que su principal función en este proyecto es de seguir la trayectoria descrita por el Sol durante el día y no el de generar energía eléctrica a base del calor recolectado; en esta sección se abarcan tanto el mecanismo de posicionamiento de elevación como el de azimut, contrapesos, plataforma, el punto focal del prototipo y el arreglo de espejos que no fue un requisito para este proyecto. La parte electrónica, para efectos de una mejor visualización del sistema de control, se considera como un computador por lo tanto consta de dos partes: hardware y software. Refiriéndose a la parte de hardware se utiliza un reloj serial (RTC), una tarjeta de evaluación CMD12-A4 diseñada específicamente para soportar el microcontrolador (MCU) 68HC12A4 de Motorola, cinco divisores de voltaje, dos controladores de motor tipo H, dos motores de engranaje DC, interrupción manual, compuertas lógicas y un visualizador LCD. En cuanto al software se utiliza el programa WIN-IDE que incluye un editor de textos, compilador y simulador para el desarrollo y prueba de las distintas etapas que abarca el programa de aplicaciones, además se emplea el sistema operativo D-BUG12 el cual está incluido en la memoria EEPROM del CMD12-A4 y por último se incluye el programa de aplicaciones que se deriva del lenguaje ensamblador utilizado por el 68HC12A4 el cual contiene dos métodos de control para el seguimiento del Sol. I Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ CAPITULO I 1.1 OBJETIVOS 1.1.1 OBJETIVO GENERAL • Describir las diferentes etapas que conforman el prototipo de concentrador solar seleccionado. 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS • Diseñar y construir el prototipo de concentrador solar parabólico seleccionado. • Construir e implementar la etapa de control de seguimiento utilizando la tarjeta de evaluación CMD12-A4 para el prototipo de concentrador solar parabólico seleccionado. • Implementar un programa de aplicación utilizando lenguaje ensamblador para el control lógico involucrado en el seguimiento de luz solar. • Elaborar una programación del tiempo a emplear en este proyecto de graduación por medio de cronogramas.1 1.2 ALCANCES Y LIMITACIONES 1.2.1 ALCANCES • Diseño y construcción de un prototipo de concentrador solar parabólico. • Descripción de los diferentes módulos abarcados por la parte mecánica. • Implementación y descripción de cada una de las etapas de hardware y software involucradas en la parte electrónica del sistema de seguimiento Solar. 1 Referirse a Anexos - Cronogramas. 1 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ 1.2.2 LIMITACIONES • El seguimiento del Sol estará exclusivamente diseñado para San Salvador cuyas coordenadas son: 13.78° N; 89.18° O. • El tamaño del prototipo de concentrador solar parabólico es pequeño debido a que el objetivo principal de este proyecto es el control electrónico para el seguimiento del Sol, si funciona en el prototipo entonces funcionará en el concentrador que se fabrique usando los métodos aquí detallados. • No debe de existir juego en las piezas que conforman la estructura de rotación, así también en los mecanismos de elevación y azimut para que haya precisión en el seguimiento; debido a los cortos tiempos de activación de los motores de engranajes DC. • Los factores económicos que afectan al proyecto se deben al propósito de que es estrictamente académico debido a que el objetivo es el seguimiento del Sol y no el de generar energía eléctrica a base del calor recolectado. • Se necesita nivelar la tarima que sirve de base de todo el prototipo cada vez que el concentrador se mueva de un lugar a otro. • El sistema de seguimiento del prototipo seleccionado solo funciona durante la mañana y la tarde, toda vez que los divisores de voltaje así se lo indiquen, desde las 8:00 hasta las 16:00 dando así un arco de barrido del eje de elevación de 120° durante el día y del eje azimutal de 53.0° durante el año.2 • El Método Activo es el responsable de posicionar el concentrador solar durante el transcurso del día y año (elevación / azimut) ya que es el único que indica la intensidad de luz solar que este recibe. • El Método Programado es el responsable de mantener el seguimiento solar, en el eje de elevación solamente, en caso de que el Método Activo falle. • La imprecisión que existe en el seguimiento del Sol es debido a que la velocidad de los motores es alta y también por parte de imprecisiones en la obtención de datos. 2 Referirse a Anexos – Arcos de Barrido. 2 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ CAPITULO II 2.1 HISTORIA DE LOS CONCENTRADORES DE LUZ SOLAR El concepto de concentrar los rayos provenientes del Sol a un objetivo específico ha sido investigado por grandes personalidades de la ciencia desde hace varios siglos. Durante el siglo XVIII se implementaron hornos y calderas solares, y en el siglo XIX se construyeron motores de vapor que utilizaban la luz solar como fuente principal de energía. A principios del siglo XX se llevaron a cabo investigaciones y proyectos en el área de los turbinas y calderas pero su impulso decayó a causa de la extensa disponibilidad que tuvieron los combustibles fósiles, más que todo el gas natural. La crisis de petróleo que hubo en el Medio-Oriente, el año de 1974, impulsó a que el gobierno de los Estados Unidos de América (EUA) mediante su Departamento de Energía (DOE), y administrado conjuntamente con los Laboratorios Nacionales Sandia, financiara y apoyara una red de proyectos para la concentración de energía solar, con un presupuesto inicial de $1.25 millones de dólares en el año de 1976, el cual para el año de 1978 llegó a ser de unos $6.2 millones de dólares. El primer convenio para el proyecto pionero de Laboratorios Sandia tuvo lugar en 1978 y para ese entonces ya había programas de acercamiento para diferentes tipos de concentradores reflectivos y refractivos. Otras compañías privadas como por ejemplo: Motorola, RCA, General Electric, Martín Marieta, EnTech, Boeing, Acurex y Spectrolab también mostraron interés en el desarrollo de este tipo de sistemas y otras investigaciones fueron llevadas a cabo por las Universidades Stanford, Arizona y Purdue. En toda Europa y Japón este tipo de tecnología no tuvo buena aceptación debido a la baja intensidad de luz solar que se tiene en todo el año, no obstante hubo programas importantes llevados a cabo por la Universidad Católica de Leuven, Universidad Politécnica de Madrid y el Instituto Técnico Ioffe en San Petersburgo. En 1990 DOE creó un programa de apoyo para este tipo de tecnología solar, la cual se compuso de cuatro fabricantes de celdas (ASEC, SpectroLab, SunPower y Solarex) y cuatro fabricantes de módulos solares (EnTech, Solar Kinetics, Alpha Solarco, y SEA Corp). No obstante se canceló en el año de 1992. A pesar de ello varias compañías, con sus propios recursos y con la ayuda incondicional del Departamento de Energía, están implementando sus propios prototipos y plantas de concentradores solares, ya que tienen la convicción de 3 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ que esta forma de captar la energía del Sol aminorará una crisis energética futura. 2.2 INTRODUCCION A LOS DIFERENTES TIPOS DE TECNOLOGÍAS PARA LA CONCENTRACIÓN DE LUZ SOLAR Las tres principales plantas que concentran la luz solar son: Torres Solares de Energía, Plantas Solares de Combinación Plato/Generador y finalmente Plantas Parabólicas. 2.3 TIPOS DE CONCENTRADORES SOLARES 2.3.1 TORRES SOLARES DE ENERGÍA Las torres solares de energía generan electricidad al enfocar la luz solar incidente, por medio de arreglos de cientos de espejos planos llamados helióstatos a un receptor central.3 2.3. 2 PLANTAS SOLARES DE COMBINACIÓN PLATO / GENERADOR Las plantas de combinación plato/generador convierten, primeramente, la radiación solar en energía mecánica y luego en energía eléctrica. Para ello utilizan un arreglo de espejos especiales ya sea de aluminio o plata, encargados de reflejar y concentrar la luz solar hacia un receptor o punto focal, con el fin de conseguir las temperaturas requeridas para transformar la energía calorífica en energía eléctrica.4 2.3.3 PLANTAS PARABÓLICAS Las plantas parabólicas consisten en áreas extensas donde se ubican estos colectores, los cuales utilizan un seguimiento de dos ejes para rastrear la posición del Sol durante el transcurso del día y en las diferentes estaciones del año. Los grupos de colectores son modulares y están compuestos de muchas filas de concentradores en paralelo.5 Cada colector solar posee un reflector en forma de parábola, cuya función es la de reflejar la luz incidente del Sol a un recibidor lineal, ubicado en el punto focal de la parábola en donde se calienta aceite el cual se utiliza como intercambiador de calor para procesos termodinámicos posteriores. 3 Referirse a Anexos – Esquema General y Foto de una Torre Solar de Energía y Archivo solar_tower.pdf. 4 Referirse a Anexos – Esquema General y Foto de una Planta de Combinación Plato/Generador y Archivo solar_dish.pdf. 5 Referirse a Anexos – Esquema General y Foto de una Planta Parabólica y Archivo solar_trough.pdf. 4 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ CAPITULO III 3.1 LA TIERRA La Tierra tiene un movimiento de rotación y de traslación. El movimiento de rotación ocurre cuando la Tierra da una vuelta completa alrededor de su eje que la atraviesa en sus polos, el cual toma un tiempo de aproximadamente 23h 56min, en dirección Oeste-Este. El movimiento de traslación se da cuando nuestro globo terráqueo se mueve alrededor del Sol impulsado por la gravedad de este en un tiempo de 365 días, 5h y 57min, equivalente a 365.2422 días que es la duración de un año. Este movimiento describe una trayectoria elíptica alrededor del Sol de 930 millones de kilómetros produciéndose así su máxima proximidad (perihelio 142,700,000 kms) a principios de enero y su máxima lejanía (afelio 151,800,000 kms) a principios de Julio. La posición geográfica sobre la Tierra está definida por las coordenadas de latitud y longitud .6 La latitud es un arco comprendido entre un punto cualquiera de la superficie terrestre y el Ecuador (latitud 0°). La longitud es un arco en dirección norte/sur tomando como referencia el meridiano de Greenwich Inglaterra (longitud 0°). En un mapa o globo, las líneas de latitud son paralelas al Ecuador y las líneas de longitud son paralelas al Meridiano de Greenwich el cual es el punto de referencia global para efectos de cálculo de la hora local. 6 Referirse a Figura 1. “The Terrestrial Sphere,” Positional Astronomy, sitio web creado y diseñado por Fiona Vincent, 1998. 5 Figura 1. Coordenadas de Latitud y Longitud de la Tierra. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ 3.2 MOVIMIENTO DEL SOL El Sol aparece por la dirección Este, alcanza su altura máxima cuando cruza el meridiano local y se oculta en la dirección Oeste, para luego aparecer nuevamente por el Este. El proceso dura aproximadamente 23h 56min. Durante el transcurso del año varía la posición de aparición y ocaso del Sol debido a que el eje de rotación de la Tierra tiene una inclinación máxima de 23.5° al plano de su órbita y se desplaza hasta esa máxima inclinación creando los solsticios de verano e invierno y entre solsticios cuando el ángulo es menor se crean los equinoccios de otoño y primavera.7 3.3 COORDENADAS PARA ESPECIFICAR LA POSICIÓN DE EL SOL Uno de los sistemas de coordenadas que se utiliza para describir la posición del Sol en el espacio es: Elevación y Azimut.8 La elevación describe cuantos grados de Este a Oeste, arriba del horizonte está localizado el Sol (0° a 7 Referirse a Figura 2. “Motion of Our Star the Sun,” Astronomy Notes, sitio web creado y diseñado por Nick Strobel, 2001. 8 Referirse a Anexos – Coordenadas de Elevación y Azimut para San Salvador, El Salvador C.A. y Tablas de Coordenadas de Elevación y Azimut para San Salvador, El Salvador, C.A. 6 Figura 2. Trayectoria Eclíptica que aparentemente sigue el Sol en un año. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo.______________________________ 180°) y el azimut es el ángulo del Sol medido en una dirección en sentido de las agujas del reloj partiendo desde el norte hacia el este a lo largo de un plano horizontal hasta el punto en el horizonte directamente debajo del Sol.9 9 Referirse a Figura 3. “Horizon Coordinate System,” Peter Alway’s Intro to Astronomy Lecture Notes, sitio web creado y diseñado por Peter Alway, 2001. 7 Figura 3. Diagramas de Sistema de Coordenadas Polares. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo CAPITULO IV 4.1 PARTE MECANICA. PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO 4.1.1 DESCRIPCION GENERAL Previo al análisis completo se hace un prototipo básico, hecho de Meccano®,10 del prototipo de concentrador solar parabólico que se pretende construir con el objeto de observar las fuerzas que afectan a este tipo de estructura mecánica y etapas que la conforman. Para la estructura mecánica se llevan a cabo análisis, consultas, indagaciones de precios y factibilidad de soldaduras sobre los diferentes tipos de materiales con los que se puede fabricar el prototipo de concentrador, entre ellos: 1) Aluminio. (SOLAIRE S.A. de C.V.) 2) Dexion. (ACAVISA S.A. de C.V.) 3) Hierro. (VIDRI S.A. de C.V.) Y se determina que: 1) El Aluminio (Al) era el material más liviano de los tres, es rígido, pero su costo y el tipo de soldadura que conlleva este material es especial y demasiado caro. 2) El Dexion es menos pesado que el hierro pero no se puede soldar y tiene un costo bastante alto. Además es muy difícil formar estructuras cónicas con dicho material pero si posee una rigidez alta. 3) El Hierro (Fe) es un material con un costo no muy caro, es rígido y hay diversidad de lugares en donde lo pueden trabajar y soldar a un costo sumamente accesible aunque posee la desventaja de su peso. Tomando en cuenta los costos se desarrollaron presupuestos para cada uno de los materiales antes mencionados llegando a la conclusión de utilizar en este proyecto de graduación el Hierro, debido a que el tamaño del prototipo permite una flexibilidad con el peso y el costo ya que el objetivo principal de este proyecto es el control electrónico para el seguimiento del Sol y no el de generar energía eléctrica por medio de la cantidad de calor recolectado.11 10 Referirse a Anexo – Fotos de Proceso de Fabricación Parte Mecánica. 11 Referirse a Capítulo 1 – Limitaciones - Sección 1.2.2 - Segundo párrafo - Pág. 6. 8 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Con respecto al procedimiento a seguir de las diferentes etapas involucradas en la construcción del prototipo de concentrador solar parabólico se realiza un esquema general12 desglosando dichas etapas para una mejor visualización. 4.2 MODULOS QUE CONFORMAN EL PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO Los seis arcos de soporte se diseñan siguiendo los cálculos de la parábola13 más un sistema de sostén tipo polines con el propósito de afianzar el cincho que forma dicha parábola aunque anteriormente se consideró hacerlo tipo paraboloide elíptico por el hecho de enfocar la luz solar en un punto y no sobre una línea pero su diseño y construcción es demasiado complicado. El marco de soporte de espejos está constituido por los seis arcos mencionados en el párrafo anterior. 12 Referirse a Figura 4 – Esquema General Mecánico del Prototipo de Concentrador Solar. 13 Referirse a Anexos – Teoría de una Parábola. 9 Figura 4. Esquema General Mecánico del Prototipo de Concentrador Solar. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Con respecto a la rigidez del marco de soporte y después de discusiones con el contratista se decide no soldar sobre los cinchos donde van colocados los espejos sino que dentro de la estructura de soporte. 14 En referencia a la estructura de amarre se considera poner un diseño tipo numeral o H para que el marco de soporte se aferre al eje de elevación. Se toma en cuenta el utilizar tubos industriales cuadrados de 2.54 cms (1.0”) ó 1.27 cms (0.5"), pero al examinar el prototipo de concentrador solar se acuerda simplificarlo a su máximo. Para el sistema de posicionamiento de elevación se consideran varios diseños de amarre del prototipo sobre este eje concluyendo con un diseño sencillo pero efectivo que el prototipo lo permite tomando en cuenta el peso y tamaño del sistema para que no perjudique al eje de rotación de azimut que sirve de soporte vertical de todo este sistema. Lo anterior hace colocar el engranaje de RPM del sistema de posicionamiento de elevación en el costado derecho fuera de la distancia entre chumaceras del eje de elevación. Con respecto al sistema de posicionamiento de azimut se examinan varios diseños de rotación, culminando en el hecho de que el sistema consistiría en un tubo de menor diámetro introducido en otro tubo de mayor diámetro que serviría como la chumacera del sistema. Surgen observaciones y dudas sobre la estabilidad vertical del sistema al solo poner un balero en la parte inferior, pero se soluciona colocando otro balero en la parte superior del tubo exterior, no existiendo complicaciones sobre la colocación del engranaje de RPM de azimut. En vista de que los motores no se pueden conectar directamente a los ejes de elevación y azimut, lo que causaría velocidades aun demasiado altas, se diseña un sistema adicional de engranajes para reducir aun más esta velocidad de rotación. Se considera utilizar un engranaje de 12 dientes ensamblado al eje del motor y un engranaje de 48 dientes ensamblado a cada uno de los ejes con el fin de darle una razón de 4:1. El engranaje de 12 dientes se calza al eje de la caja de engranajes de los motores el cual conlleva un tornillo a presión con el fin de que no exista ningún juego en cada uno de los mecanismos de posicionamiento. Tanto el engranaje del sistema de elevación como el de azimut deberán conectarse por medio de cadenas de bicicleta y la tensión deberá ser máxima con el propósito de que el tiempo de activación de los motores sea mínimo y así poder obtener una precisión alta en el seguimiento del Sol. En cuanto a la ubicación de los motores para sistema de elevación y azimut se considera colocarlos en una plataforma situada en la parte trasera del 14 Referirse a Anexos - Dibujo J-102. 10 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo prototipo de concentrador solar pero al analizarlo se realiza que no iba a funcionar ya que al girar el concentrador en su eje de azimut el sistema de posicionamiento de elevación se convertiría en una barrera para la rotación horizontal, por lo que se decide colocarlos dentro del espacio del prototipo de concentrador. La función de los motores de engranajes DC consta en hacer girar el eje de elevación y azimut con el propósito de seguir al Sol durante el transcurso de un día y en un año, por lo que las velocidades son exageradamente lentas, lo que conlleva a una combinación de motor con su caja de engranajes para reducir la velocidad del eje del motor. Al consultar con el fabricante de este tipo de equipos se observa que para una mayor reducción de velocidad el costo de los motores es demasiado alto lo que obliga a un diseño de un sistema de engranajes adicional, mencionados anteriormente en el párrafo 7 de la sección 4.2, que ayuda a reducir aun más la velocidad de rotación de los ejes de elevación y azimut. Otros factores que influyen en la selección de los motores de engranajes para sistemas de elevación y azimut son: Peso del marco parabólico de soporte (P1aprox), torque producido por el marco parabólico de soporte con respecto al eje de elevación(τ1), contrapesos(P2aprox) y torque generado por dichos contrapesos con respecto al eje de elevación(τ2). Una vez se realiza el análisis de pesos y torques15 se escoge por medio de catálogos, provistos por el fabricante (Maxon Motors Inc.),16 el equipo que tenga el costo, potencia y revoluciones por minuto (RPM) que más se aproxime a los requisitos. En referencia a los contrapesos surgen dos posibilidades: a) aferrarlos al eje de rotación de elevación dentro de la distancia de las chumaceras y b) a una distancia equidistante en la parte exterior de ellas, pero al analizar las dos situaciones se dedujo que no era la forma más adecuada de hacerlo, por lo cual se colocan los contrapesos al final de dos pares de varillas soldadas en un extremo a los puntos (2 y 12)17 a ambos lados del marco de soporte utilizando dos lecheritas con un peso cada una de 2.7 kgs. La tarima de madera le proporciona al prototipo una mayor estabilidad, no añadiendo peso adicional para su transporte y simula la base de concreto donde van empotrados dichos concentradores solares ya que estos en la realidad son fijos, pero debido a que se tiene que trasladar a la Universidad para su presentación se elige este tipo de soporte. 15 Referirse a Sección 4.3.8 Sistema de Contrapesos. 16 Referirse a Anexos – Cálculo de Motor y Caja de Engranajes. 17 Referirse a Anexos - Dibujo J-105. 11 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 4.3 DIBUJOS ESQUEMATICOS DEL PROTOTIPO DE CONCENTRADOR SOLAR PARABOLICO 4.3.1 CURVA PARABOLICA18 Contiene los cálculos realizados para la curva parabólica. 4.3.2 ARCO DE SOPORTE19 Es uno de seis arcos de soporte donde va montada la platina cuyo objetivo es el de aumentar el área de amarre de los espejos. 4.3.3 RIGIDEZ20 Es una vista de la parte trasera del concentrador solar donde muestra que los seis arcos de soporte están unidos en la parte frontal en los puntos 1 y 13, y atrás en los puntos 2, 6, 8, 12, esto con el fin de darle una mejor rigidez a la estructura. Todos estos puntos de unión van dentro de la estructura de soporte con el propósito de no obstruir la curvatura del concentrador y su estética. 4.3.4 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO DE ELEVACIÓN21 El eje de rotación de elevación está modificado en sus puntos extremos con el fin de adaptarse a los diámetros internos y anchura de los baleros siendo este el mismo en ambos extremos. La parte de la derecha se diferencia de la izquierda de la siguiente manera: se hicieron dos cortes de diámetro, el primero a acoplarse con el diámetro interno del balero con un largo de corte que posiciona al balero en su lugar establecido (distancia entre baleros) inmediatamente después del ancho del balero se desgastó 1 mm hacia la derecha con el fin de no forzarlo y así evitar dañarlo. El diámetro interno del engranaje de 48 dientes se tiene que adaptar a este diámetro inferior. El eje del motor de posicionamiento de elevación debe de estar al mismo nivel horizontal del eje de elevación y ambos en línea recta asegurándose que la cadena no se desvíe de un plano vertical común a los dos obteniendo de esta forma una tensión igual en todo el contorno de la cadena. 18 Referirse a Anexos - Dibujo J-101. 19 Referirse a Anexos - Dibujo J-101. 20 Referirse a Anexos - Dibujo J-102. 21 Referirse a Anexos - Dibujo J-103. 12 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 4.3.5 SISTEMA DE POSICIONAMIENTO AZIMUTAL22 El sistema de azimut que también hace la función de soporte consiste de dos tubos teniendo que adaptar el eje de rotación azimutal de igual forma que se adapta el eje de rotación de elevación con el fin de facilitar la inserción del balero superior y se tuvieron que usar dos baleros para que no existiera un movimiento oscilatorio vertical tipo péndulo. El diámetro interno del engranaje de 48 dientes se tiene que modificar en igual forma al engranaje de elevación para que encaje con el diámetro que facilita la inserción del balero de la parte superior. El eje del motor de posicionamiento azimutal debe de estar al mismo nivel vertical del eje de azimut y ambos en línea recta asegurándose que la cadena no se desvíe de un plano horizontal común a los dos obteniendo de esta forma una tensión igual en todo el contorno de la cadena. 4.3.6 RECIBIDOR LINEAL (PUNTO FOCAL)23 Consiste en dos ELES que se originan en los puntos 5 detrás de los cinchos sosteniendo un tubo de 1.27 cms x 74 cms x 1.27 cms cuyo centro pasa por el punto focal simulando el recibidor lineal del prototipo. 4.3.7 ENSAMBLAJE24 Muestra el prototipo de concentrador solar con sus diferentes módulos después de ensamblado. 4.3.8 SISTEMA DE CONTRAPESOS25 La función principal de este sistema es balancear por medio de un torque opuesto el torque producido por el marco parabólico de soporte en el eje de elevación con el fin de no forzar el motor de posicionamiento de elevación al rotar el marco parabólico de soporte de espejos los 120° requeridos. 22 Referirse a Anexos - Dibujo J-104. 23 Referirse a Anexo - Dibujo J-104A. 24 Referirse a Anexo - Dibujo J-105. 25 Referirse a Figura 4 - Gráfica para cálculo de contrapesos. 13 Figura 4. Gráfica para cálculo de contrapesos. No a escala. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo El cálculo realizado para los contrapesos viene dado por la siguiente ecuación: τ1 = τ2 P1aproxd1 = P2aproxd2 Donde: τ1 = Torque producido por el marco parabólico de soporte. τ2 = Torque producido por contrapesos. P1aprox = Peso del marco parabólico de soporte. P2aprox = Contrapesos. d1 = Distancia entre la parte trasera del marco parabólico de soporte (A) y el centro del eje de elevación (o). d2 = Distancia entre el centro del eje de elevación (o) y ubicación de contrapesos (B). Nota: Esta distancia no debe sobrepasar la altura disponible entre el eje de elevación y la plataforma que es de 80 cms. Al estar construido el marco parabólico de soporte se pesa y se le proporciona un margen mayor, por motivo de los espejos y punto focal con el fin de que el motor de elevación esté holgado, dando como resultado un P1aprox = 22.68 kgs. Conociendo que P1aprox = 22.68 kgs y d1 = 14 cms y asumiendo que d2 = 60 cms se obtiene P2aprox = 5.3 kgs ≈ 5.4 kgs el cual se divide en dos para colocar 2.7 kgs a ambos lados del sistema de contrapesos. 14 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 4.3.8.1 CALCULO DE SOPORTE DE CONTRAPESOS (Z)26 d1 = Distancia entre la vertical imaginaria que pasa entre los puntos 2 y 12 (A) y la parte trasera del marco parabólico de soporte (B). d2 = Distancia entre la parte trasera del marco parabólico de soporte (B) y el centro del eje de elevación (o). d3 = Distancia entre el centro del eje de elevación (o) y ubicación de los contrapesos (C). X = d1 + d2 + d3 Y = Distancia entre eje de elevación (o) y punto 2 ó 12 de arco de soporte (D). Z = Hipotenusa, en este caso el soporte de los contrapesos. La distancia a la cual están ubicados los contrapesos de los puntos 2 y 12 de los dos arcos extremos del marco parabólico de soporte se obtiene aplicando el teorema de Pitágoras: 26 Referirse a Figura 5 – Gráfica para cálculo de Soporte de Contrapesos (Z). 15 Figura 5. Gráfica para cálculo de Soporte de Contrapesos (Z). No a escala. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo cms90cms19.89)cms30()cms84(YXZ cms30Y cms84dddX cms60d cms14d cms10d 2222 321 3 2 1 ≈=+=+= = =++= = = = 4.3.9 SISTEMA REFLEXIVO DE LUZ SOLAR Se coloca la malla y se simulan los espejos que no son requisito para este proyecto de graduación. 4.4 LISTA DE MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN La lista de materiales que se utilizan para la construcción del concentrador solar es la siguiente: Marco Parabólico de Soporte para Espejos. • 72 varillas lisas de ∅ 0.95 cms x 10 cms. • 12 varillas lisas de ∅ 0.95 cms x 14 cms. • 18 varillas lisas de ∅ 0.95 cms x 13 cms. • 6 varillas cuadradas de 1.27 cms x 70 cms x 1.27 cms. • 6 Platinas de 0.32 cms x 1.91 cms x 70 cms. Brazos Conectores. • 2 Platinas de 17.2 cms x 0.5 cms x 2.5 cms. Sistema de Posicionamiento de Elevación. • 1 tubo de hierro negro de ∅ 3.81 cms x XX cms. • 2 baleros marca NTN. Modelo: 6009-ZZC3. • 2 platinas de 20 cms x 1.0 cm x 12 cms. • 2 platinas de 20 cms x 33 cms x 1.0 cm. • 1 engranaje de 48 dientes para bicicleta. 16 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo • 1 engranaje de 13 dientes para bicicleta. • 1 cadena de bicicleta de 70 cms de largo. • 1 motor de engranaje DC marca Maxon de 20W y 4RPM. Sistema de Posicionamiento de Azimut • 1 tubo de hierro negro de ∅ 3.81 cms x 80 cms. • 1 tubo de hierro negro de ∅ 7.62 cms x 60 cms. • 2 baleros marca NTN. Modelo: 6009-ZZC3. • 2 platinas de 13 cms x 20 cms x 1.0 cms. • 1 engranaje de 48 dientes para bicicleta. • 1 engranaje de 13 dientes para bicicleta. • 1 cadena de bicicleta de 70 cms de largo. • 1 motor de engranaje DC marca Maxon de 20W y 4RPM. Contra-Pesos • 4 varillas cuadradas de 1.27 cms x 90 cms x 1.27 cms. • 2 Pesos de aproximadamente 2.7 kgs cada uno. Punto Focal • 1 tubo de 1.27 cms x 74 cms x 1.27 cms. • 2 varillas cuadradas de 1.27 cms x 14 cms x 1.27 cms. • 2 varillas cuadradas de 1.27 cms x 3.0 cms x 1.27 cms. Sistema Reflexivo de Luz Solar • Zaranda galvanizada 0.5 cms x 0.5 cms. • Silicona. • Diferenciales de Espejos los cuales no fueron un requisito para este proyecto de graduación. 4.5 COSTOS DE CONSTRUCCION No. Descripción Cant. Costo ($) Costo Total ($) 1 Varilla lisa de ∅ 0.95 cms x 600 cms. 3 1.80 5.40 2 Varilla cuadrada de 1.27 cms x 600 cms 2 3.31 6.62 3 Platina de 0.32 cms x 1.91 cms x 600 cms 1 1.75 1.75 4 Platina de 17.2 cms x 0.5 cms x 2.5 cms. 2 N/A N/A 5 Tubo de hierro negro ∅ 3.81 cms x 600 cms. 1 18.00 18.00 6 Tubo de hierro negro ∅ 7.62 cms x 60 cms. 1 9.33 9.33 7 Platina de 20 cms x 1.0 cm x 12 cms. 2 1.71 3.42 8 Platina de 13 cms x 20 cms x 1.0 cms 2 1.71 3.42 17 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 9 Platina de 20 cms x 33 cms x 1.0 cm 2 1.14 2.28 10 Balero NTN 6009-ZZC3 4 11.20 44.80 11 Engranaje de 48 dientes para bicicleta 2 N/A N/A 12 Engranaje de 13 dientes para bicicleta 2 N/A N/A 13 Cadena de bicicleta de 70 cms de largo 2 N/A N/A 14 Zaranda Galvanizada 0.5 x 0.5 cms 1 2.48 2.48 15 Perno de 0.64 cms x 6.35 cms 3 0.10 0.30 16 Perno de estufa 0.32 cms x 2.54 cms 2 0.03 0.06 17 Tuerca R/O Inoxidable 0.48 cms 2 0.04 0.08 18 Pintura ACE Aluminio/Cromo 0.5 gal 14.00 14.00 19 Lija para Hierro Hermes Grand 3 0.50 1.50 20 Grasa Exxon Ronex Tubo de 14 oz. 1 1.60 1.60 21 Contrapesos 2 5.00 10.00 22 Mano de Obra: Soldador -- 120.00 120.00 23 Mano de Obra: Tornero -- 40.00 40.00 24 Motor y Caja de Engranajes marca Maxon 2 40.00 80.00 TOTAL 365.04 4.5.1 GRAFICA DE COSTOS DE CONSTRUCCIÓN Visualización gráfica de los costos involucrados en la construcción del prototipo de concentrador solar.27 27 Referirse a Gráfica 1 – Comparación de Costos Involucrados en la Construcción. 18 Gráfica 1. Costos Involucrados en la Construcción. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo CAPITULO V 5.1 PARTE ELECTRÓNICA 5.1.1 DESCRIPCION GENERAL La electrónica involucrada para el seguimiento del Sol se comprende de dos partes: 1) Hardware y 2) Software. 5.1.1.1 HARDWARE El hardware utilizado en este proyecto de graduación abarca los siguientes dispositivos electrónicos: 1) Reloj Serial (Real-Time Clock) (CMOS). 2) Microcontrolador que consta de: a) CPU. b) Memoria RAM/EEPROM. c) Sistema de Puertos Extenso. d) Sistema de Conversión Análogo/Digital. e) Sistema de Temporización. f) Sistema de Comunicaciones. 3) Tarjeta de evaluación CMD12-A4 que incluye el MCU 68HC12A4. 4) Fotoresistencias. 5) Controladores de motores tipo H (CMOS). 6) Interrupción manual. 7) Motores de engranaje DC. 8) Compuertas lógicas (CMOS). 9) Visualizador LCD (CMOS). El reloj serial (RTC) es el encargado de enviarle los datos de hora y fecha utilizando el puerto SPI del microcontrolador. 19 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo El microcontrolador28 a utilizar debe de incluir los siguientes subsistemas y funciones para controlar las variables que rigen el estado del prototipo de concentrador parabólico: • Unidad central de procesamiento de datos (CPU) para ejecutar el programa que controla toda acción del prototipo. • Sistema de memoria para almacenar el programa de control y variables. • Sistema de puertos extenso para emitir y recibir señales digitales a los diferentes módulos de hardware. • Sistema de conversión Análogo a Digital utilizado para transformar la variable física a un formato compatible con el lenguaje del CPU. • Sistema de temporización utilizado para asignar señales de control precisas a los controladores de motores. • Sistema de comunicaciones para programar el RTC. 28 Referirse a Figura 6 - Esquema General del Microcontrolador necesario para controlar el Prototipo de Concentrador Parabólico. (Página siguiente). 20 Figura 6. Esquema General del Microcontrolador necesario para controlar el Prototipo de Concentrador Parabólico. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Basándose en lo descrito anteriormente se opta por elegir la tarjeta de evaluación CMD12-A429, de la compañía Axiom Manufacturing, la cual contiene las siguientes características: • 1 Puerto RS-232 SCI con conexión DB9 (COM-1). • 1 Puerto RS232/485 SCI con conexión DB9 (COM-2). • Soporte para conmutación automática de Bus 8 ó 16 Bits. • Puerto de Interfase LCD (80 caracteres máx.). • Puerto de Interfase para Keypad de 16 teclas. • 1 Puerto SPI. • Configuración E/S Flexible para maximizar su uso. • 4 ranuras de 32 pines destinadas para memoria desde 32K hasta 2Mbytes ROM y 32K hasta 512Kbytes RAM. En este caso: i. 2 memorias EEPROM 28256 de 32K cada una y ii. 2 memorias RAM 62256 de 32K cada una. • Puertos de expansión de Bus y señales de control. • Oscilador de cristal de 16MHz y Bus de 8MHz. El sistema descrito anteriormente está propiamente fabricado y configurado para soportar el MCU 68HC12A4 de Motorola. Se opta por utilizar fotoresistencias (conocidas como fotoceldas) debido a que la variable física a medir es la intensidad de luz solar. Estas fotoresistencias se fabrican a base de Cadmium-Sulfide (CdS) ya que este material permite que su resistencia varíe dependiendo de la intensidad de luz que percibe. Para el prototipo de concentrador solar se emplean cinco fotoresistencias las cuales forman parte de circuitos divisores de voltaje encargados de proporcionar los voltajes adecuados al convertidor Análogo/Digital. 29 Referirse a Figura 7. Foto de Tarjeta CMD12-A4. Archivo CMD12A4M.pdf, Archivo TOP.pdf y Archivo CMD12A4SCH.pdf. 21 Figura 7. Foto de Tarjeta CMD12-A4 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Con respecto a los controladores de motor tipo H se usan para suministrar el nivel de voltaje y polaridad necesarios para el funcionamiento de los motores. La interrupción manual es la encargada de posicionar el concentrador parabólico en su estado inicial y a la vez, anular toda operación lógica y secuencial ocasionada por cualquier tipo de falla, protegiendo de esa manera el hardware y software del prototipo. Los motores de engranaje activan el eje de elevación y azimut del prototipo de concentrador parabólico. Debido a que las señales emitidas por el MCU 68HC12A4 son DC los motores se escogen tipo DC reversibles.30 Las compuertas lógicas localizadas en las salidas del puerto T del MCU permiten la interpretación adecuada de las señales programadas. El visualizador LCD despliega el estado real del sistema de control electrónico para su debida lectura y acción correctiva. Basándose en los elementos mencionados en los párrafos anteriores se realiza un esquema general del hardware30, de su programación31 y de su puesta en marcha.32 30 Referirse a Capítulo 4 - Parte Mecánica - Sección 4.2 - Párrafo 10. 30 Referirse a Figura 8 – Esquema General Electrónico de Hardware. 31 Referirse a Figura 9 – Esquema General de Programación. (Página siguiente). 32 Referirse a Figura 10 – Esquema General de Puesta en Marcha. (Página siguiente). 22 Figura 8. Esquema General Electrónico del Hardware. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.1.1.2 SOFTWARE 23 Figura 9. Esquema General de Programación. Figura 10. Esquema General de Puesta en Marcha. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo El software utilizado en este proyecto de graduación consta de tres programas principales: • WIN-IDE Development Environment. • D-BUG12. • Programa de aplicación. WIN-IDE® es un programa hecho entorno a Windows 98®, se utiliza para desarrollar, compilar, explicar y simular los diferentes módulos que conforman el programa de aplicaciones final. El segundo programa D-BUG12® es el sistema operativo, incluido en la tarjeta de evaluación CMD12-A4, que se usa para cargar, comprobar y correr los distintos módulos incluidos dentro del programa de aplicaciones por medio de comandos especiales. Finalmente el programa de aplicaciones se basa en un esquema de control automático33 el cual muestra al MCU 68HC12A4 recibiendo variaciones de voltaje resultado de la intensidad de luz solar. Estas variaciones se comparan con un valor umbral para elegir el método de seguimiento a utilizar (primario o secundario) para enviar pulsos a los motores DC pudiendo el sistema de esta manera reconocer donde se encuentra posicionado el concentrador solar por medio de la cantidad de pulsos que se han enviado a los motores de 8:00 a 16:00. Refiriéndose a los dos métodos utilizados por el MCU 68HC12A4 para el seguimiento del Sol estos son los siguientes: • Método Activo para el Seguimiento Solar (primario). • Método Programado para el Seguimiento Solar (secundario), activándose el primario cuando el valor hexadecimal de intensidad de luz es mayor que el umbral establecido y el secundario cuando este valor es menor lo que lo convierte en un sistema de respaldo. El umbral (TH) establecido es de 3.02 VDC ($9A) en el divisor 5 (SIS). 33 Referirse a Figura 11 – Esquema de Control Automático. (Página siguiente). 24 Figura 11. Esquema de Control Automático. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo El Método Activo para el Seguimiento Solar se basa en los niveles de voltaje que proveen los divisores SE1 y SE2 para elevación y SA1 y SA2 para azimut. Cuando la diferencia de voltajes es mayor que DT_E en los divisores de elevación ó DT_A en los divisores de azimut, el programa le indica al prototipo que tiene que desplazarse, con el fin de captar la máxima intensidad de luz solar durante el transcurso del día y año. Como este método es el que verdaderamente busca la intensidad solar, es el encargado de crear el desplazamiento necesario en el eje de azimut del concentrador solar dependiendo del mes actual. El Método Programado para el Seguimiento Solar se programa para un desplazamiento angular (φ1) de 15.0° en el eje de elevación no afectando el eje de azimut. Si el valor provisto por SIS se vuelve mayor a TH, el programa activa nuevamente el Método Activo después del tiempo establecido. No importando el método que se ocupe, se hace una actualización del estado del sistema enviando esta información tanto al visualizador LCD como a pantalla, que en el caso de una o varias plantas se monitorearía en un centro de control. Toda esta actividad se ejecuta desde las 8:00 hasta las 16:00. Al llegar el RTC a las 16:00 se le indica al MCU que después de 1 Hora debe de regresar el prototipo y sus variables que lo controlan a su estado inicial. Después de efectuar esta operación, el RTC continua funcionando hasta que sean las 24 horas con el propósito de cambiar la fecha y esperar las 08:00 para realizar nuevamente el mismo proceso. El programa de aplicación incluye un control manual, cuya función es de desactivar el sistema para llevar a cabo programas de mantenimiento o efectuar reparaciones cuando surgen problemas técnicos. Se elabora el diagrama de flujo34 con el cual se explica el proceso que conlleva el control por parte del programa de aplicación. 34 Referirse a Figura 12 – Diagrama de Flujo de Programa de Aplicación. 25 Figura 11. Esquema de Control Automático. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 26 Figura 12. Diagrama de Flujo de Programa de Aplicación. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.2 MODULOS ESPECIFICOS DE HARDWARE 5.2.1 MICROCONTROLADOR 68HC12A4 El MCU 68HC12A435 es el “cerebro” del sistema de control de seguimiento solar ya que además de tener una gama de funciones adicionales que lo hacen atractivo para aplicaciones remotas posee las siguientes características y subsistemas: • CPU de 16-bits con una velocidad de procesamiento alta para manipular información, instrucciones y operaciones lógicas. • Memoria RAM que es utilizada durante el desarrollo y ejecución del programa de aplicación. Al tener lista la versión final del programa se puede trasladar a EEPROM para que se almacene permanentemente o hasta que se haga una actualización del programa de aplicación. • Operación de bajo consumo de potencia, ya que el MCU 68HC12A4 utiliza tecnología CMOS la cual se caracteriza por esta singularidad. • Biblioteca extensa de funciones matemáticas. • Sistema de interrupciones. • Sistema de temporización utilizado para emitir señales de control precisas hacia los motores de engranajes DC. • Convertidor Análogo/Digital (ADC) encargado de transformar la variable física, en este caso los niveles de voltaje enviados por los circuitos divisores, a una representación binaria compatible con el MCU para su debida interpretación por parte del programa de aplicación. • Sistema de comunicaciones SPI donde va conectado el RTC. • Doce puertos Bidireccionales de Entrada/Salida (I/O) que le permiten al MCU recibir y enviar un gran número de señales digitales. 5.2.1.1 CONVERTIDOR ANÁLOGO A DIGITAL La función del subsistema A/D es la de convertir las intensidades de luz solar a datos binarios. Este conlleva la utilización de dos pines de referencia llamados VRH y VRL para su voltaje máximo (5VDC) y voltaje mínimo (0 VDC) respectivamente. Si el voltaje medido en uno de los cinco canales utilizados se aproxima a VRH, en otras palabras “Intensidad de Luz Alta”, el valor que tendrá el canal estará cercano a $FF y si es cercano a VRL, significando “Intensidad de Luz 35 Referirse a Archivo 68HC812A4.pdf, Archivo CPU12_RM.pdf y Archivo CPU12_RG.pdf. 27 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Baja”, entonces su valor será aproximadamente $00. Cada canal tiene una resolución de 19.53 mV lo que lo hace ideal para los rangos de voltaje con los que se trabaja. Para que funcione, se deben de programar o hacer una lectura de los registros asignados, de los cuales cabe mencionar: • Registro de Control ATD 2 (ATDCTL2). • Registro de Control ATD 5 (ATDCTL5). • Registro de Estado ATD (ATDSTAT1). • Registro de Estado ATD (ATDSTAT2). • Registros de Resultados: a) Canal 0 (ADR0H) asignado a SE1. b) Canal 1 (ADR1H) asignado a SE2. c) Canal 2 (ADR2H) asignado a SA1. d) Canal 3 (ADR3H) asignado a SA2. e) Canal 4 (ADR4H) asignado a SIS. 5.2.1.2 SISTEMA DE TEMPORIZACIÓN La información para la temporización utilizada por los canales de Output Compare se deriva de un contador continuo de 16-bits el cual inicia su conteo desde $0000 hasta $FFFF y comienza nuevamente desde $0000 activándose de esa manera la bandera TOF. El subsistema de temporización está equipado con ocho canales individuales de 16-bit con una doble función cada uno, en este caso pertenecientes al sistema Output Compare, empleados para crear las señales digitales enviadas a los controladores de motores tipo H utilizando OC5, OC3 junto con OC1 que van a las entradas PHASE, BRAKE y ENABLE respectivamente del controlador de motor de elevación y OC4, OC2 junto con OC0 dirigidas hacia las mismas entradas pero del controlador de motor de azimut. Se emplea el sistema que viene diseñado para OC7 con el fin de crear las señales digitales y al mismo tiempo se hace un conteo de la cantidad de pulsos que se han enviado al motor de elevación. Se debe tener en mente que el tiempo de activación de los motores para los dos métodos es mayor que el tiempo de conteo, siendo en este caso de 8.192ms, por lo que es necesario tener un registro de las veces en que la bandera TOF ha sido activada. El Duty Cycle de la señal que va dirigida a la entrada ENABLE de los controladores de motores es del 2.0%, pero estos la invierten ya que se activan cuando ENABLE se encuentra en un estado bajo produciéndose de esta manera 28 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo una señal dirigida hacia las terminales de cada motor del 98%. En cuanto al tiempo de activación del motor de elevación este no varía durante el transcurso del año, variando únicamente el tiempo de activación del motor de azimut el cual depende del mes actual.31 Cabe mencionar los registros de control y lectura utilizados para el funcionamiento correcto del sistema de temporización los cuales son los siguientes: • Registro de Control para Sistema de Temporización (TSCR). • Registro de Contador Continuo (TCNT). • Registro IC/OC (TIOS). • Registro para Interrupciones de Temporizador (TMSK1). • Registro para Interrupciones de Temporizador (TMSK2). • Registro de Control (TCTL1). • Registro de Control (TCTL2). • Registro para Máscaras de Canal OC7 (OC7M). • Registro para Datos de Canal OC7 (OC7D). • Registro para Banderas de Interrupción 1 (TFLG1). • Registro para Banderas de Interrupción 2 (TFLG2). • Registro de Canal IC/OC 0 (TC0). • Registro de Canal IC/OC 1 (TC1). • Registro de Canal IC/OC 2 (TC2). • Registro de Canal IC/OC 3 (TC3). • Registro de Canal IC/OC 2 (TC4). • Registro de Canal IC/OC 3 (TC5). • Registro de Canal IC/OC 7 (TC7). 5.2.1.3 SISTEMA DE COMUNICACIONES SPI El sistema SPI es la comunicación serial síncrona utilizada por el MCU para enviar y recibir datos de hora y fecha al reloj serial DS1305. Este conlleva la utilización de 4 pines, que forman parte del puerto S del MCU, los cuales se describen a continuación: • MISO “Master In Slave Out” (PS4): es la línea de datos que va desde el componente esclavo hacia el componente maestro. • MOSI “Master Out Slave In” (PS5): es la línea de datos que va desde el componente maestro hacia el componente esclavo. 31 Referirse a Anexos – Cálculo de Duty Cycle y Tiempo de Activación de Motores de Engranajes DC. 29 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo • SCK “Serial Shift Clock” (PS6): es el reloj que establece la sincronización entre el maestro y esclavo. Por cada ciclo de reloj, se transfiere un bit desde el maestro al esclavo o viceversa. • SS “Slave Select” (PS7): la configuración de este pin determina si el MCU es utilizado como maestro o esclavo. Los registros de control y lectura utilizados para establecer una comunicación entre el MCU y el reloj se mencionan a continuación: • Registro de Control SPI 1 (SP0CR1). • Registro de Control SPI 2 (SP0CR2). • Registro de Tasa de Baudios (SP0BR). • Registro de Estado SPI (SP0SR). • Registro de Datos SPI (SP0DR). • Registro de Datos de Puerto S (PORTS). • Registro de Dirección de Datos de Puerto S (DDRS). 5.2.2 DS1305 RELOJ SERIAL (RTC) El reloj serial DS130537, fabricado por MAXIM SEMICONDUCTORS, tiene la función de proveerle datos de hora y fecha al MCU; posee las siguientes características principales: • Cuenta segundos, minutos, horas, día de mes, mes, año normal y bisiesto hasta el 2100. • 96 bytes de NV-RAM para almacenar datos. • Dos alarmas diarias. • Compatible con puerto SPI de Motorola. • Pines para fuentes de voltaje primario, secundario y batería. • Operación desde 2.0V hasta 5.5V. Hay que tener cuidado en que se debe de activar el bit CPHA del registro SP0CR1 y también en que las direcciones y bits son transferidos al ISR (Input Shift Register) del RTC en grupos de ocho; comenzando desde el bit más significativo. Por lo tanto cuando se realiza una escritura, se debe de poner CE en alto y transmitir primero el byte de dirección seguido por el byte de configuración. Al realizar una lectura, se sigue el mismo procedimiento reemplazando el byte de configuración por un byte de desplazamiento ($FF) con el fin de obtener los datos en el ISR del MCU. 37 Referirse a Figura 13. Diagrama de Configuración de RTC DS1305 (Página siguiente) y Archivo DS1305.pdf. 30 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo Descripción de pines utilizados: • Vcc1 = Fuente de voltaje primaria. • Vcc2 = Fuente de voltaje secundaria. • Vccif = Nivel de voltaje para lógica. • GND = Tierra. • X1,X2 = Conexión para cristal a 32,768 KHz de 6pF típico. • SDI = Entrada de datos serial SPI. • SDO = Salida de datos serial SPI. • CE = Habilitador de integrado el cual se debe de mantener en alto durante una lectura o escritura. • SERMODE = Modo de interfase serial. Cuando este se conecta a Vcc el modo SPI es seleccionado. • SCLK = Reloj de sincronización para inicializar y terminar una comunicación SPI. 5.2.3 ECS-3X8 OSCILADOR DE CRISTAL CON FRECUENCIA DE 32,768KHz 31 Figura 13. Diagrama de Configuración de RTC DS1305. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo El oscilador de cristal38, fabricado por la compañía ECS, se conecta entre los pines X1, X2 del RTC y conlleva las características siguientes: • Capacitancia de 12.5 pF. • Tolerancia de Frecuencia a ±20 ppm. • ESR de 35 KΩ. 5.2.4 CIRCUITOS DIVISORES DE VOLTAJE Los circuitos divisores39 se componen de cinco fotoresistencias con valores de 1.0 MΩ y cinco resistencias con valores de 2.2 KΩ conectadas a una fuente de voltaje de 5VDC. Al efectuar pruebas de campo32 los valores de voltaje fueron de 5.35 VDC cuando están en pleno Sol y 4.95 VDC en sombra colocando estos valores fuera del rango del ADC del MCU por lo tanto se emplean 4 filtros de 20% de oscuridad c/u con el propósito de bajar este rango a valores aceptables. 38 Referirse a Figura 14 – Diagrama de Oscilador de Cristal. 39 Referirse a Figura 15 – Diagrama de Circuitos Divisores de Voltaje. (Página siguiente) 32 Referirse a Anexos – Experimento con Divisores de Voltaje. 32 Figura 14. Diagrama de Oscilador de Cristal ECS-3X8. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.2.5 A3952SB CONTROLADORES DE MOTORES TIPO H Los controladores que utilizan la configuración tipo H33, fabricados por Allegro MicroSystems, son los más adecuados para manejar los motores de engranajes DC utilizados en este proyecto ya que poseen las siguientes características: • Operan con valores de voltaje de hasta 50VDC. • Suministra valores de corriente de hasta 2.0A en operación continua. • Entradas de control compatibles con tecnología CMOS. • Diodos de protección internos. • Protección de corto circuito. • Apagado térmico a 170°C de temperatura. Descripción de pines utilizados: • ENABLE: Entrada para señal PWM proveniente de PT0 ó PT1. 33 Referirse a Figura 17. Diagrama de Configuración de A3952SB y Archivo 3952.pdf 33 Figura 16. Diagrama de Configuración de A3952SB. Figura 15. Diagrama de Circuitos Divisores de Voltaje. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo • PHASE: Entrada para señal de control de dirección proveniente de PT4 ó PT5. • BRAKE: Entrada para señal de frenado proveniente de PT2 ó PT3. • LOGIC SUPPLY: Valor de nivel lógico de las señales enviadas a las entradas de los controladores de motores. • RC: Pin de conexión para el capacitor y resistencia externa, la cual determina el tiempo en bajo en que se deshabilita los controladores de motores. • LOAD SUPPLY: Valor de nivel de voltaje con los que se operan los motores de engranaje DC. • OUTA: Salida de señal PWM hacia terminales de motores de engranaje DC. • OUTB: Salida de señal PWM hacia terminales de motores de engranaje DC. • SENSE: Pin para conectar resistencia sensora de corriente. • REF: Voltaje de referencia. • MODE: Modo para Fast o Slow Current Decay. La Tabla 2 muestra el estado de los pines de salida en referencia a los pines de control.34 BRAKE ENABLE PHASE MODE OUTA OUTB Descripción H H X H Z Z Sleep Mode H H X L Z Z Standby H L H H H L Forward, Fast Decay Mode H L H L H L Forward, Slow Decay Mode H L L H L H Reverse, Fast Decay Mode H L L L L H Reverse, Slow Decay Mode L X X H L L Brake, Fast Decay Mode L X X L L L Brake, No Current Control Donde: H = Alto. L = Bajo. X = Irrelevante. Z = Alta Impedancia. 34 Referirse a Tabla 2. Tabla de Verdad de Controlador Tipo H. 34 Tabla 2. Tabla de Verdad de Controlador Tipo H. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.2.6 DMC – 20434 VISUALIZADOR LCD El visualizador LCD, fabricado por OPTREX y conectado al puerto D35 del MCU, despliega la información sobre el estado del sistema. Debido a los requerimientos en velocidad del bus para el LCD las direcciones de escritura de comandos y datos son $03F0 y $03F1 respectivamente y para lectura son $03F2 para comandos y $03F3 para datos. 5.2.7 INTERRUPCION MANUAL El control manual36 consiste de varias resistencias, un interruptor DIP de 8 switches y compuertas lógicas OR que se utilizan para emitir las señales adecuadas que van a las entradas de control ENABLE y PHASE de los controladores de motores tipo H. 35 Referirse a Figura 17 – Conector de LCD DMC – 20434. 36 Referirse a Figura 18 – Switches para el Control Manual (Página siguiente). 35 Figura 17. Conector de LCD DMC - 20434. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.3 MODULOS ESPECIFICOS DE SOFTWARE Los módulos específicos de software son los siguientes: 5.3.1 SUBRUTINA INIT46 Subrutina empleada para inicializar LCD, subsistemas de MCU, Oscilador de RTC, desplegar mensajes de inicio e ingreso de hora y fecha. 46 Referirse a Figura 19. Subrutina INIT. 36 Figura 18. Switches para el Control Manual. Figura 19. Subrutina INIT. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.3.2 SUBRUTINA DATE_INIT47 Subrutina empleada para ingresar datos de Hora y Fecha, luego adaptarlos a un formato compatible con RTC y preguntar si están correctos. 5.3.3 SUBRUTINA TME_INIT Subrutina empleada para asignar el tiempo de activación del motor de engranajes DC de azimut según el mes. 5.3.4 SUBRUTINA DES_METHOD48 Subrutina empleada para leer valores de intensidad solar provista por divisor de voltaje SIS, comparar con TH y a partir de este valor desplegar mensaje respectivo en pantalla y LCD y a la vez elegir el Método de Seguimiento a utilizar. 47 Referirse a Figura 20. Subrutina DATE_INIT. 48 Referirse a Figura 21. Subrutina DES_METHOD. 37 Figura 20. Subrutina DATE_INIT. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.3.5 MET_ACT49 Subrutina para leer valores de divisores SE1, SE2, SA1, y SA2, luego realiza comparación si son pasadas las 13:00. Si la respuesta es no llamar subrutina SENSORS_ELE de lo contrario llamar subrutina SENSORS_ELE_2. Luego leer dato de MES y comparar si es mayor o igual que Junio. Si respuesta es no llamar subrutina SENSORS_AZI de lo contrario llamar SENSORS_AZI_2. 49 Referirse a Figura 22. Subrutina MET_ACT. 38 Figura 21. Subrutina DES_METHOD. Figura 22. Subrutina MET_ACT. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 5.3.6 SUBRUTINA MET_PROG Subrutina empleada para esperar dos minutos siempre que valor de SIS < TH. 5.3.7 SUBRUTINA RETURN Subrutina empleada para regresar el concentrador para seguir al Sol en la tarde según sea el mes del año. 5.3.8 SUBRUTINA INIT_ST Subrutina empleada para regresar el concentrador a estado inicial después de las 17:00. 5.3.9 SUBRUTINA TIMING50 Subrutina empleada en casi todo el Programa de Aplicaciones con el objetivo de leer datos de RTC, adaptarlos a formato ASCII y luego enviarlos a visualizador LCD. 5.4 PROGRAMACIÓN Y PRUEBAS Con el fin de tener un conocimiento mejor del comportamiento de los circuitos divisores con respecto a la posición del Sol entre las 08:00 y 16:00 se realizan tres experimentos37 con los divisores de voltaje en cada una de las direcciones de posicionamiento del prototipo (Este, Cenit y Oeste), el cual 50 Referirse a Figura 23. Subrutina TIMING. 37 Referirse a Anexos – Experimento con Divisores de Voltaje. 39 Figura 23. Subrutina TIMING. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo involucra el uso de un osciloscopio, fuente regulada de voltaje DC, breadboards, soportes, filtros y tubos de PVC. Al completarse los experimentos, se llega a la conclusión de que el movimiento del prototipo de concentrador solar no es continuo sino que solo será de aproximadamente tres veces al día ya que su tamaño no es grande por lo que las variaciones entre los divisores son mínimas. Refiriéndose a la velocidad y tiempo de activación que tendrá cada motor de engranajes DC se hacen pruebas utilizando un generador de frecuencias que emite una señal DC de 5 Vp-p a una frecuencia de oscilación de 122 Hz, dirigida a la entrada ENABLE de los controladores de motores tipo H, variándole su Duty Cycle para llegar a una velocidad y tiempo de activación ideal de seguimiento tanto para el motor de engranajes DC de elevación como el de azimut. En cuanto a la programación, esta se realiza por partes y de la siguiente forma: • Se hace un programa que involucra los circuitos divisores de voltaje y el subsistema ATD del MCU. • Se elabora un programa que abarca el reloj serial, el subsistema SPI del MCU y el visualizador LCD. • Se crea un programa que involucra el subsistema de temporización del MCU y controladores de motores tipo H. • Se hacen programas de ayuda para el despliegue de mensajes en pantalla, subrutinas, declaración y manipulación de variables. Los programas realizados se prueban minuciosamente ocupando equipo de laboratorio como osciloscopio y multímetro digital, dando resultados positivos y satisfactorios para llegar a elaborar el programa de aplicación. El programa de aplicaciones se diseña haciéndolo un simulador para reducir el tiempo de 9 horas de captación solar en 18 minutos, reduciendo de esta manera el tiempo real de trabajo del prototipo de concentrador parabólico, mas 2 minutos para actualizar fecha. Las horas y acciones se simulan de la siguiente manera: Hora Real Minuto Método Activo Método Programado 08:00 00 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 09:00 02 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 10:00 04 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 40 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 11:00 06 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 12:00 08 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 13:00 10 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 14:00 12 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 15:00 14 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 16:00 16 Hacer cambio en intensidad solar manualmente y moverse Automáticamente Moverse Automáticamente 17:00 18 Regresar a Estado Inicial Automáticamente Regresar a Estado Inicial Automáticamente 24:00 20 Actualizar Fecha y Esperar 08:00 Actualizar Fecha y Esperar 08:00 Al estar lista la primera versión del programa de aplicaciones, se realizan pruebas junto con el prototipo para observar errores en la programación y se obtienen los siguientes resultados: • Surgen problemas en el despliegue de mensajes en visualizador LCD, pero estos se resuelven agregándole comandos de clra o clrb según sea necesario. • Al probar el motor de elevación y azimut con un Duty Cycle de 90% se activan pero cuesta que muevan al prototipo de concentrador solar en sus respectivos ejes en ciertas posiciones, por lo que se elige aumentarle el DC a 98% a la señal que va a la entrada ENABLE de cada controlador de motor. • El tiempo de activación de cada motor debe de aumentarse debido a que no es suficiente el tiempo calculado teóricamente. • El nivel de voltaje que emite el regulador de voltaje DC es de 10.5 V en la salida de 12 VDC por lo que se cambia por uno que emita realmente los 12 VDC deseados que van en la entrada LOAD SUPPLY de los controladores de motores. • Los resultados reflejan una alta sensibilidad por parte de los divisores por lo que se tuvieron que calibrar para que el concentrador se comporte dentro de los tiempos simulados. 5.5 LISTA DE MATERIALES Y EQUIPO 41 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo La lista de materiales utilizados en esta parte del proyecto son los siguientes: HARDWARE • 1 Tarjeta CMD12-A4 fabricada por Axiom Manufacturing. • 1 Transformador de voltaje de 120 VAC a 9 VDC. • 1 Visualizador LCD DMC – 20434, fabricado por OPTREX. • 1 Reloj Serial DS1305 fabricado por Maxim Semiconductors. • 2 Controladores de Motores A3952SB tipo H fabricados por Allegro MicrosSystems. • 1 Oscilador de cristal ECS-3X8 fabricado por la compañía ECS. • 1 Fuente regulada de voltaje DC fabricada por Extech. • 5 Fotoceldas de 1 MΩ. • 5 Resistencias de 2.2 kΩ. • 6 Bases para integrados de 16 pines. • Alambre Telefónico. • 7 Resitencias de 10 kΩ. • 1 DIP Switch de 8. • 2 Circuitos Integrados de 4 compuertas OR modelos NTE 74HC32. • 2 Capacitores de 47 µF. • 2 Capacitores de 820 pF. • 2 Resistencias de 1.0 Ω. • 2 Resistencias de 22.0 kΩ. • 3 Cables conectores. • 25 Filminas de 20% de Oscuridad. • 1 BreadBoard. • 1 Computadora IBM/PS2 Compatible. SOFTWARE • WIN-IDE Development Environment para Windows 98® fabricado por P&E Microcomputer Systems. • D-BUG12 fabricado por Motorola Corporation. 5.6 COSTOS DE CONSTRUCCIÓN 42 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo No. Descripción Cant. Costo ($) Costo Total ($) 1 Tarjeta CMD12-A4 1 300.00 300.00 2 Visualizador LCD DMC – 20434 1 70.00 70.00 3 Controladores de Motores A3952SB 2 N/A N/A 4 Reloj RTC DS1305 1 N/A N/A 5 Cables de Conexión 3 N/A N/A 6 DIP Switch de 8 1 2.00 2.00 7 Compuertas OR NTE 74HC32 2 0.90 1.80 8 Fotoresistencias de 1 MΩ 5 0.56 2.80 9 Resistencias de ½ W de 2.2 kΩ 5 0.30 1.50 10 Oscilador de Cristal ECS-3X8 1 0.55 0.55 11 Resistencias de ½ W de 22.0 kΩ 2 0.11 0.22 12 Resistencias de ½ W 10.0 kΩ 7 0.11 0.77 12 Capacitores de 820 pF 2 0.20 0.40 13 Capacitores de 47 µF 2 0.35 0.70 14 Resistencias de ½ W de 1.0 Ω 2 0.11 0.22 15 Tubos de PVC Blancos 5 0.69 3.45 16 Filmina de 20% de Oscuridad 25 0.10 2.50 17 Clips para Batería de 3.175 cms 4 1.30 1.30 18 Cable de cobre UTP CAT-5 de 457.2 cms 1 0.50 2.50 19 Bases para Integrados de 16 pines 5 0.30 1.50 20 WIN-IDE Development Environment 1 N/A N/A 5.6.1 GRAFICA DE COSTOS DE CONTRUCCION Visualización gráfica de los costos involucrados en la construcción de la etapa de control del prototipo de concentrador parabólico.38 38 Referirse a Grafica 2. Comparación de Costos Involucrados en la Construcción. (Página Siguiente) 43 $300.00 $70.00 $22.21 $0.00 $50.00 $100.00 $150.00 $200.00 $250.00 $300.00 Tarjeta CMD12-A4 Visualizador LCD DMC – 20434 Otros M at er ia le s Costos ($) Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 44 Gráfica 2. Comparación de Costos Involucrados en la Construcción. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo RECOMENDACIONES Las recomendaciones para adaptar el control de seguimiento para un concentrador real son las siguientes: • Expandir la capacidad de memoria tanto de RAM como de EEPROM para desarrollar programas de mucha mayor complejidad y más completos. • Emplear un Duty Cycle y un tiempo de activación de los motores bajo para obtener un seguimiento lo más preciso posible. • Utilizar convertidores ADC con una mejor resolución de bits. • Emplear un visualizador LCD capaz de desplegar más información en su pantalla. • Utilizar bancos de divisores ópticos con el fin de dar un promedio en las obtenciones de intensidad de luz solar. • Utilizar sistemas de detección de vientos huracanados, con el propósito de que el concentrador se autoproteja de daños. • Utilizar un sistema de odometría para tener un cálculo exacto de las revoluciones que da cada motor de engranajes DC. • Emplear un sistema de interrupciones mejorado. • Utilizar indicadores como LEDS y Bocinas para alarmas. 45 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo CONCLUSIONES • El Método Activo simulado va a ser diferente en su comportamiento que en una planta solar ya que los tiempos de activación del concentrador dependerán de la intensidad del Sol y no de la simulación a la que ha sido sometido. • Se concluye que el programa aquí descrito además de el hardware como el software se adaptan a un concentrador debidamente diseñado para los propósitos de convertir energía solar a energía eléctrica. 46 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo ANEXO – CRONOGRAMAS A C T IV ID A D E S Investigación en Internet Esquema de Tesis Procesamiento de Información Pedido de Libros Diseño de Parábola Diseño Preliminar de Prototipo de Concentrador Solar Decisión de hacerlo con una Parábola Pedido de Hardware 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 SEPTIEMBRE 47 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo A C T IV ID A D E S Selección de material es Cotización de materiales Discusión General Modificación de Concentrador Compra de Materiales Construcción de Concentrador Reuniones con Asesor Lectura Discusión de Software 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 OCTUBRE 48 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo 49 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo A C T IV ID A D E S Construcción de Concentrador Compra de Material Restante Cálculo de Motor de Elevación Compra de Motor y Engranajes de Elevación Entrega de Motor y Engranajes de Elevación Cálculo de Motor de Azimut Compra de Motor y Engranajes de Azimut Entrega de Motor y Engranajes de Azimut Redacción de Documento Prueba de Motores 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 NOVIEMBRE A C T IV ID A D E S Construcción de Concentrador Dibujar planos de Concentrador Reunión con Asesor Redacción de Documento Análisis y Discusión de Planos de Concentrador Compra de Mater iales Discusión de Software 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 DICIEMBRE 50 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo A C T IV ID A D E S Afinaciones de Documento Dibujo de Punto Focal Colocación de Malla Reunión con Contratis ta Colocación de Punto Focal y Retoques de Pintura Programación de MCU y Construcción de Circuitos Electrónicos Prueba y Calibración de Circuitos Electrónicos Compra de Material 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 ENERO 51 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo A C TI V ID A D E S Programación de MCU Afinaciones de Documento Reunión con Asesor y Jurado Preparación de Primera Defensa Primera Defensa Compra de Materiales Interfasar Circuito y Motores DC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 FEBRERO 52 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo A C TI V ID A D E S Programación de MCU Pruebas y Afinaciones Finales Afinaciones de Documento Segunda Defensa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 MARZO 53 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo________________ ANEXO – ARCOS DE BARRIDO ELEVACIÓN Para calcular el Arco de Barrido del eje de elevación se hace lo siguiente: Giro de la Tierra = 360°/Día. 1 Día = 24Hrs. Angulo – Hora = Hora 15 Día 360 Hrs24 Día1 °= ° ⋅ El prototipo de concentrador parabólico sigue al Sol desde las 8:00 hasta las 16:00, produciendo así un arco de barrido de 120° en un día. AZIMUT Para calcular el Angulo de Barrido del eje de Azimut se toman los datos de azimut obtenidos para San Salvador del Observatorio Naval de los Estados Unidos de América para Junio (Solsticio de Verano) y Diciembre (Solsticio de Invierno) llegando a la conclusión de un arco de barrido de 53.0°. Arco de Barrido para Eje de Elevación. Arco de Barrido para Eje de Azimut. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo________________ ANEXO - ESQUEMA GENERAL DE UNA TORRE SOLAR DE ENERGIA FOTO DE UNA TORRE SOLAR DE ENERGIA Esquema general de una torre de potencia que utiliza sal-líquida. Torre energética “Solar Dos” operando en la parte desértica de Barstow, California. ANEXO - ESQUEMA GENERAL DE UNA PLANTA SOLAR DE COMBINACIÓN PLATO/GENERADOR FOTO DE UNA PLANTA SOLAR DE COMBINACIÓN PLATO/GENERADOR Esquema general de una planta solar de combinación plato/generador. ANEXO - ESQUEMA GENERAL DE UNA PLANTA PARABOLICA FOTO DE UNA PLANTA PARABOLICA El sistema de combinación plato / motor Stirling (DECC) de las compañías Boeing y United Stirling. Esquema general de una planta solar parabólica. Foto de una planta solar de combinación plato/generador. ANEXO - COORDENADAS DE ELEVACIÓN Y AZIMUT PARA SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A. La fórmula para encontrar la elevación es: ))hacos(*)latcos(*)deccos()latsin(*)decsin(sin(aEl += La fórmula para encontrar el azimut es:       − = )latcos(*)Elcos( )latsin(*)Elsin()decsin( cosaAz donde: El = Elevación. dec = Declinación. lat = Latitud. ha = Angulo - Hora. Az = Azimut EJEMPLO DE CÁLCULO DE COORDENADAS DE ELEVACIÓN Y AZIMUT PARA UNA HORA EN UN DÍA ESPECÍFICO EN SAN SALVADOR Los cálculos presentados a continuación tienen como base las formulas obtenidas del “Astronomical Almanac” publicado anualmente por el Observatorio Naval de los Estados Unidos de América. San Salvador, 08:00 a.m. del 15 de Agosto de 2003. Latitud: 13.78°. Longitud: -89.1833°. (Oeste de Meridiano de Greenwich tomado como negativo.) Las tablas 1 y 2 son utilizadas para calcular el número de días y la fracción de un día desde la época de J2000. TABLA 1. Días al comienzo de cada mes. Mes Año Normal Año Bisiesto Enero 0 0 Febrero 31 31 Foto de un espejo parabólico. Marzo 59 60 Abril 90 91 Mayo 120 121 Junio 151 152 Julio 181 182 Agosto 212 213 Septiembre 243 244 Octubre 273 274 Noviembre 304 305 Diciembre 334 335 TABLA 2. Días desde J2000.0 hasta el comienzo de cada mes. Año Días 1998 -731.5 1999 -366.5 2000 -1.5 2001 364.5 2002 729.5 2003 1094.5 2004 1459.5 2005 1825.5 2006 2190.5 2007 2555.5 2008 2920.5 2009 3286.5 2010 3651.5 2011 4016.5 2012 4381.5 2013 4747.5 2014 5112.5 2015 5477.5 2016 5842.5 2017 6208.5 Días después de J2000.0 08333.1322 24 6 5.109415212 24 8 d 24 TimeZone AñoDiaDias# 24 Hora d mes =++++= ++++= Longitud Media °=°−°= °=⋅+= °−° 569.1431440569.1583L 569.1583d9856474.0461.280L )3600( Anomalía Media °= °= ⋅+= °−° 57372667.220g 57372667.1660g d9856003.0528.357g )3600( Longitud Eclíptica °=λ ⋅⋅+⋅+=λ 343196001.142 )g2sin(020.0)gsin(915.1L Oblicuidad °=ε ⋅−=ε 4384711667.23 d0000004.0439.23 087916843459.0)cos(X 745605211178.0)sin()cos(Y −=λ= =λ⋅ε= °−== 2989083922.35 X Y arctana Si X < 0 → α = a +180° Si Y < 0 y X > 0 → α = a + 360° De lo contrario α = a Como X < 0 entonces: s48min38h9RA 701091608.144180aRA = °=°+=α= °=∆= λ⋅ε=∆= 0640319987.14DEC ))sin()(arcsin(sinDEC .3840684.84)3600(LST .38407.477444LST Longd99856473662.36046061837.280LST °=°−° °= +⋅+= °−=−= 317023208.60RALSTHA Elevación AzAznegativo)HAsin( 168514636419.0)Elcos( =∴→ = si no Az = 360° - A Azimut cos(∆) 0.970024755941 sin(∆) 0.243006116921 cos(lat) 0.971217484627 sin(lat) 0.23819445324 cos(HA) 0.495200566565 °= = = ⋅⋅∆+⋅∆= 6287782137.31El )465244136406.0arcsin(El 465244136406.0)Elsin( )HAcos()latcos()cos()latsin()sin()Elsin( °= ⋅ ⋅−∆ = 7897944306.81Az )latcos()Elcos( )latsin()Elsin()sin( )Azcos( Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 119.1 110.3 99.7 87 76.4 71 73 81.8 95 108.7 119.2 122.7 126.6 117.1 105.5 90.3 77 70.5 73.2 83.9 100.2 116.6 128 131 137.9 127.8 114.6 94.7 75.5 66.7 70.8 85.8 108.7 129.8 141.6 143.3 154.8 146.6 133.1 104.5 66.4 52.7 60.4 87.2 128.9 154.1 162.2 161 177.5 174.1 174.8 191.3 342.2 356.1 44.6 51.3 190.6 191.2 188.2 183.1 201 205.3 221.4 257.4 289.9 305 301.5 272.7 238.8 221.8 211.5 204.4 219.2 226.9 243 266 283.9 292.7 289.6 274 254 238.7 227.5 220.6 231.5 239.7 253.3 270.2 283.1 289.4 286.9 275.9 261.3 248.3 237.8 231.6 239.7 247.7 259.5 273.5 284 289.1 286.9 278 266 254.5 244.7 239.1 Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_________________________________________________________________ ANEXO - TABLAS DE COORDENADAS DE ELEVACIÓN Y AZIMUT PARA SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A. Los datos de las tablas siguientes son obtenidos de un programa encontrado en Internet hecho por el Observatorio Naval de los Estados Unidos de América, siendo el rango de estos desde las 8:00 hasta las 16:00 en intervalos de 01:00 hora. ELEVACIÓN AZIMUT Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 20.30 22.50 27.10 32.10 34.10 33.40 32.00 31.70 31.80 30.50 26.70 22.40 32.50 35.80 41.30 46.60 48.30 47.10 46.00 46.10 46.20 43.90 38.80 34.00 43.40 48.20 55.00 61.20 62.40 60.70 59.80 60.60 60.30 56.20 49.20 44.00 51.50 58.30 67.30 75.50 76.30 73.50 73.20 75.10 73.20 65.30 56.20 50.90 55.10 63.50 74.10 86.00 84.60 80.40 82.30 89.60 79.00 67.30 57.40 52.90 52.70 60.90 69.20 74.00 73.20 72.30 74.30 75.70 70.00 60.50 52.30 49.40 45.30 52.20 57.50 59.60 59.20 59.50 61.10 61.20 56.60 49.20 43.00 41.50 34.90 40.50 44.00 45.10 45.00 45.80 47.20 46.70 42.30 36.10 31.40 30.90 22.90 27.40 29.90 30.50 30.80 32.10 33.30 32.20 27.90 22.30 18.60 19.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 HORA OFICIAL G R A D O S Enero Febrero Marzo Septiembre Octubre Noviembre Diciembre 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 HORA OFICIAL G R A D O S Abril Mayo Junio Julio Agosto Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ GRAFICAS DE COORDENADAS DE ELEVACION PARA EL SOL EN SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A. Grafica 2. Gráfica que muestra coordenadas de Elevación para meses cuyo Azimut es menor que Este. Gráfica 1. Gráfica que muestra coordenadas de Elevación para meses cuyo Azimut es mayor que Este. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ GRAFICA DE COORDENADAS DE AZIMUT PARA EL SOL EN SAN SALVADOR, EL SALVADOR, C.A. Grafica 3. Gráfica que muestra coordenadas de Azimut durante el transcurso de un año. No a escala. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ ANEXO – TEORIA DE UNA PARÁBOLA La forma óptima de concentrar los rayos del sol en un receptor montado en el punto focal es por medio de una cónica llamada parábola. Esta posee la siguiente propiedad principal de reflexión: “La tangente a una parábola en un punto P forma ángulos iguales con: 1) La recta que pasa por P y el foco (f). 2) La recta que pasa por P y es paralela al eje de la parábola.” 39 Para encontrar la ecuación de dicha curva se construye un sistema de coordenadas en un plano tal que el foco está ubicado en el punto (0,f) y la directriz es una línea horizontal que pasa por el punto y = -f. De ese modo un punto (x,y) está en la curva si y solo si la distancia(d) desde (x,y) a (0,f) es igual a la distancia desde (x,y) a la línea que pasa por y = -f.40 Igualando los cuadrados de estas distancias se obtiene la siguiente ecuación: 222 dba =+ 222 )fy()fy()0x( +=−+− El cual al expandirla da: 22222 ffy2yffy2yx ++=+−+ Simplificando: fy4x2 = O de otra forma: f4 x y 2 = En donde: x = Radio de la parábola. f = Punto focal. 39 Roland E. Larson y Robert P. Hostetler. “Propiedad Reflectora de las Parábolas.” Cálculo y Geometría Analítica. McGraw-Hill/Interamericana. Tercera Edición 1993. 40 Referirse a Figura 1. Gráfica para encontrar ecuación de una parábola. (Página siguiente). Roland E. Larson y Robert P. Hostetler. “Parábolas.” Cálculo y Geometría Analítica. McGraw-Hill/Interamericana. Tercera Edición 1993. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ ANEXO - PROCESO DE FABRICACIÓN DE PARTE MECANICA Figura 1. Gráfica para encontrar ecuación de una parábola. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Foto 1. Prototipo Básico hecho con Meccano®. Foto 2. Marco Parabólico de Soporte para Espejos (Vista Frontal). Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Foto 3. Proceso de moldura de Ejes. Foto 5. Proceso de Moldura de Chumaceras. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Foto 7. Proceso de Moldura de Chumaceras. Foto 5. Proceso de Moldura de Engranajes. Foto 6. Chumacera de Sistema de Elevación (Vista Lateral). Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Foto 7. Chumacera de Sistema de Elevación (Vista Superior). Foto 8. Chumacera de Sistema de Azimut. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Foto 9. Sistema de Engranajes para Eje de Elevación. Foto 10. Sistema de Engranajes para Eje de Azimut. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ ANEXO - CALCULO DE MOTOR + CAJA DE ENGRANAJES41 41 Referirse a Archivo Motor Calculations.pdf, Archivo How to Select a DC Micromotor.pdf y Archivo How to Select a Reduction Gearhead.pdf Foto 11. Marco Parabólico de Soporte para Espejos (Vista Lateral). Foto 12. Marco Parabólico de Soporte para Espejos (Vista Frontal). Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Nota: Las unidades que se utilizan en esta parte son oz. e in. ya que son las unidades con las cuales el fabricante trabaja. Parámetro Descripción Unidades utilizadas en este trabajo Unidades del fabricante P1aprox Peso del marco parabólico de soporte 22.68 Kgs 800.01 oz. P2aprox Contrapesos 5.4 Kgs 190.48 oz. d1 Distancia entre el marco parabólico de soporte y el eje de elevación 14 cms 5.51 in. d2 Distancia entre el eje de elevación y ubicación de contrapesos. 60 cms 23.62 in. τ1 Torque producido por el marco parabólico de soporte τ2 Torque producido por contrapesos 06.4408)51.5()01.800(dP 1aprox11 =⋅=⋅=τ oz-in Lo que se requiere es que τ1 ≈ τ2. Por lo tanto: τ2 = 0.97τ1 = - 4275.82 oz.-in. Se hace la sumatoria de los torques opuestos para dar como resultado el torque requerido por el eje de la caja del motor de elevación: 24.132)82.4275(06.440821 2 1x xeje =−+=τ+τ=τ=τ ∑ = oz-in Se asume la velocidad que se requiere en el eje de la caja de engranajes en este caso: 4 RPM. Del catálogo se elige una caja de engranajes con un torque mayor al requerido en este caso: Serie GP22C42 con un torque intermitente de 425.6 oz-in. 42 Referirse a Figura 2. Diagrama de Caja de Engranajes GP22C (Página siguiente) y Archivo 02_178_E.pdf Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ La velocidad máxima del eje del motor que recomienda el fabricante es: ω < 8000 RPM, en este caso 7000 RPM. De esto se obtiene la razón de reducción: Razón de reducción = 1750 4 7000 = Basándose en lo anterior se elige una caja de engranajes que tenga una razón de reducción menor a esta, del catálogo se elige una de 1538:1. Confirmando cálculos: Velocidad máxima del eje del motor es: ω = 4 RPM ⋅ 1538 = 6152 RPM Torque requerido por el motor es: 20479.0 42.01538 24.132 ni M M o i = ⋅ = ⋅ = oz-in. Calculando motor Mo = 2Mi = 0.40944 oz-in. Po = ω ⋅ Mo ⋅ α = 6152 ⋅ 0.40944⋅ 0.00074 = 1.87 Watts Figura 2. Diagrama de Caja de Engranajes GP22C. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ Se selecciona un motor con una potencia mínima de 2 veces la obtenida, por ende se selecciona el motor EC2243 de 20W por ser el único brushless motor compatible con esta caja de engranajes. ANEXO – CALCULO DE DUTY CYCLE Y TIEMPO DE ACTIVACION DE MOTORES DE ENGRANJES DC CALCULO DE DUTY CYCLE 43 Referirse a Figura 3. Diagrama de Brushless DC Motor EC22 de 20W y Archivo 02_148_E.pdf Figura 3. Diagrama de Brushless DC Motor EC22 de 20W. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ El Duty Cycle es el mismo tanto para el motor de elevación como de azimut, obteniéndose de la siguiente manera: Mclock = 8MHz → step ns125 f 1 T == ms192.8step65536 step ns125 =⋅ 1.0% DC h0290step656X ms192.8 steps65536s92.81 X s92.81ms192.801.0 ≡= ⋅µ = µ=⋅ El Duty Cycle es del 10% ya que ENABLE se activa en un estado bajo, obteniéndose al final una señal invertida del 90% dirigida hacia las terminales de cada motor de engranajes DC. Al realizar pruebas de campo con el generador de funciones se llega a la conclusión que el Duty Cycle seleccionado es el ideal para causar un desplazamiento en los mecanismos de posicionamiento de elevación y azimut. CALCULO DE TIEMPO DE ACTIVACION PARA MOTOR DE ENGRANAJES DC DE ELEVACIÓN El tiempo de activación del motor de engranajes DC del mecanismo de elevación es el mismo no importando el método que se emplee y se obtiene de la siguiente manera: Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ h0134308 ms192.8 s52.2 A s52.2 99 5.2100 Y seg5.2 s 6 15 seg 6 rev1 360 seg60 min1 min rev1 TOF ≡== = ⋅ = = ° ° ° = ° ⋅⋅=ω CALCULO DE TIEMPO DE ACTIVACION PARA MOTOR DE ENGRANAJES DC DE AZIMUT DEPENDIENDO DEL MES ACTUAL El tiempo de activación del motor de engranajes DC del mecanismo de azimut depende del desplazamiento que hay entre cada mes y el Duty Cycle que se emplee (90%), mostrándose los resultados en la tabla siguiente: Mes Desplazamiento ( °°°° ) Tiempo de Activación (s) TOF Tiempo en Dato Hexadecimal Diciembre 4.00 0.741 091 005B Enero 9.00 1.670 204 00CC Febrero 11.0 2.040 249 00F9 Marzo 13.0 2.410 294 0126 Abril 11.0 2.040 249 00CC Mayo 5.00 0.926 113 0071 TOTAL 53.0 Junio 5.00 0.926 113 0071 Julio 11.0 2.040 249 00F9 Agosto 13.0 2.410 294 0126 Septiembre 11.0 2.040 249 00F9 Octubre 9.00 1.670 204 00CC Noviembre 4.00 0.741 091 005B TOTAL 53.0 Tabla. Valores para desplazamiento en eje de azimut según mes. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ ANEXO – EXPERIMENTO CON DIVISORES DE VOLTAJE OBJETIVO • Observar los niveles de voltaje emitidos por los divisores SE1 y SE2 con respecto a la posición del Sol entre las 8:00 y 16:00 haciéndose por tres días consecutivos en una posición fija por día (ESTE, CENIT, OESTE). MATERIALES Y EQUIPO • 2 Fotoresistencias de 1MΩ. • 2 Resistencias de 2.2 kΩ. • 2 Soportes de madera. • 2 Breadboards. • 2 tubos de PVC. • 8 Filminas de 20% de oscuridad. • Alambre telefónico. • Fuente Regulada de Voltaje a 5VDC. • Osciloscopio. • Multímetro Digital. PROCEDIMIENTO Se colocan las fotoresistencias SE1 y SE2 a 60cms de distancia entre ellas, con el propósito de simular la altura del marco de soporte del prototipo; luego se ubican en dirección Este, se energizan con 5VDC cada una, se les coloca los filtros solares44 y se dejan trabajando desde las 8:00 a.m. hasta las 4:00 p.m; tomando lecturas de voltaje cada 30 minutos con la ayuda de un osciloscopio para luego registrar los resultados en tablas. El mismo procedimiento se realiza con las ubicaciones en dirección del Cenit y el Oeste. Nota: Al realizar primeramente el experimento con las fotoresistencias sin filminas se observa que los niveles de voltaje no están dentro del rango permitido por el ADC del MCU por lo tanto se utilizan 4 filminas de 20% de oscuridad con su respectivo tubo de PVC para poder trabajar en el rango adecuado. 44 Referirse a Nota. Proyecto de Graduación: Diseño de la Etapa de Control para un Concentrador de Luz Solar Autónomo_______________________ RESULTADOS Los resultados obtenidos fueron los siguientes: ESTE S1 S2 DELTA 10:00 4.52 4.55 0.03 10:30 4.45 4.62 0.17 11:00 4.31 4.59 0.28 11:30 4.34 4.58 0.24 12:00 4.30 4.59 0.29 12:30 4.25 4.52 0.27 13:00 4.43 4.64 0.21 13:30 3.35 3.50 0.15 14:00 3.23 3.26 0.03 14:30 3.14 3.14 0.00 15:00 3.10 3.10 0.00 15:30 2.93 2.94 0.01 16:00 2.06 1.94 0.12 CENIT S1 S2 DELTA 10:00 4.42 4.40 0.02 10:30 4.35 4.40 0.05 11:00 4.35 4.40 0.05 11:30 4.25 4.40 0.15 12:00 4.17 4.40 0.23 12:30 4.16 4.41 0.25 13:00 4.13 4.41 0.28 13:30 4.15 4.41 0.26 14:00 4.10 4.42 0.32 14:30 4.15 4.30 0.15 15:00 2.16 2.35 0.19 15:30 1.87 1.87 0.00 16:00 1.5