EXPOCIENCIAS PUEBLA 2015

Instituto Tecnológico Superior de la Sierra Norte de Puebla

Nombre del autor(es): GARCIA ROSARIO JORGE, MEDINA MORA DIEGO,

RODRIGUEZ MORALES JUAN CARLOS

Área: MT (Mecatrònica)

Categoría: Superior (Licenciatura o equivalente)

Ingeniería Electromecánica, Instituto Tecnológico Superior de Libres

Puebla

Nombre del(a) asesor(a): Guillermo Cordova Morales

Zacatlán, Puebla, a 8 de mayo de 2015.

Diseño, simulación e instrumentación electrónica de un colector cilíndrico parabólico

García, J.1, Medina, D.

1, Rodríguez, J. C

1 , Cordova,G.

1

Resumen

La presente información habla básicamente sobre La necesidad de automatizar un CCP se da a partir de que al obtener una mayor cantidad de energía solar durante un día común el colector tendrá un mejor rendimiento. Para esto se usan sistemas electrónicos económicos y de fácil acceso que cumplen la función deseada. Lo elementos a controlar son fundamentalmente tres condiciones; Primera la posición del colector de acuerdo con la ubicación del sol durante el día, segunda el accionamiento de una bomba para el flujo de aceite, y tercera la temperatura del aceite dentro del tubo evacuado que se usa como receptor de calor.

1. Introducción En la actualidad la existencia de

colectores solares en el país es

importante por las características del

clima que predomina. La fabricación de

colectores solares está orientada sobre

todo al uso doméstico, esto es para la

obtención de agua caliente de uso

común en los hogares, para esto se

ocupa un colector solar plano de tubos

evacuados al vacio.

La propuesta de diseño del colector, así

como la automatización de este se

realizan a partir de softwares de diseño,

esto con el fin de validar su

funcionamiento antes de su

construcción.

De los colectores solares menos

usados tanto en el uso doméstico,

agrícola e industrial es el colector solar

cilíndrico parabólico (CCP). En este

trabajo se propone la automatización

de un prototipo de CCP a partir un

microcontrolador, así también como el

Uso de aceite automotriz reusado.

En la fig.1, se observa un cuadro

general del proceso que describe de

forma breve los pasos desde la entrada

aceite frio hasta el aceite caliente

obtenido en el colector.

Figura 1

Cuadro de proceso realizado por el CCP.

El uso del fluido caliente obtenido de

CCP, se propone para el uso en

sistemas de camisas de aceite caliente

para intercambio de calor en sistemas

de calentamiento de agua y

deshidratadores de frutas pequeños, y

usados en área agrícola de la región

Noroeste del estado de Puebla, México.

2. Planteamiento del problema La necesidad de hacer más eficiente el

proceso de captación de calor en un

CCP es primordial para el

aprovechamiento de los recursos

renovables que ayuden a reducir la

contaminación por causa de

combustión de combustibles fósiles

para la generación de calor en sistemas

agrícolas. De ahí se detona la

oportunidad de automatizar el proceso

de captación de energía solar a partir

de un sistema electrónico seguidor de

luz solar.

3. Objetivos

3.1 Objetivo general Instrumentación electrónica de un Colector Solar Cilíndrico Parabólico

3.2 Objetivos específicos Diseño conceptual de colector

cilíndrico parabólico Instrumentación electrónica Simulación electrónica

4. Marco teórico

Colector cilindro parabólico

(Parabolic Trough Collector) (PTC) Su aplicación principal es la producción

de vapor en una central térmica,

pertenecen al rango de

aprovechamiento térmico denominado

de media temperatura (entre 125°C y

450°C). Tienen aplicaciones tanto en

generación de energía eléctrica como

en calentamiento de agua, pudiendo

para esta última aplicación ser

construidos con materiales ligeros y

baratos, lo cual disminuye el costo de

inversión inicial y facilita el seguimiento

solar.

Se construyen en forma de sectores

cilíndricos, en cuyo foco lineal se coloca

la tubería que contiene el fluido a

calentar. El seguimiento del sol sólo

debe hacerse en una sola dirección.

Un típico colector cilíndrico parabólico

consta de los siguientes elementos ver

Fig.2:

• El reflector cilindro parabólico: es un

espejo curvado en una de sus

dimensiones con forma de parábola,

que concentra sobre su línea focal toda

la radiación solar que atraviesa su

plano. La superficie especular se

consigue a base de películas de plata o

aluminio depositadas sobre un soporte

que le da rigidez. Entre los diferentes

tipos de soporte para la película se

tiene láminas de aluminio, vidrio e

incluso el plástico.

• Absorbedor o tubo receptor: en este

elemento recae el rendimiento global

del colector, puede constar de un tubo

o de dos tubos concéntricos; en el caso

de tubos concéntricos, el tubo interior

es de material metálico y es por el cual

circula el fluido que se calienta, y el

tubo exterior es de cristal. El tubo

metálico lleva un recubrimiento

selectivo que posee una elevada

absorbancia mayor al 90% y una baja

emisividad, por el interior de este tubo

va a pasar el fluido de trabajo, pudiendo

ser agua o aire. El tubo de cristal que

rodea al tubo interior metálico tiene la

doble misión de reducir las pérdidas

térmicas por convección en el tubo

metálico y de proteger de las

inclemencias del clima debido a su

recubrimiento selectivo, este tubo de

cristal suele llevar también un

tratamiento anti reflexivo en sus dos

caras, para aumentar su transmisividad

a la radiación solar y,

consiguientemente, el rendimiento

óptico del colector.

• El sistema de seguimiento del sol: el

sistema del concentrador cilindro-

parabólico aprovecha la radiación solar

directa al máximo si existe un

mecanismo de seguimiento solar

automatizado que siga la trayectoria del

sol a lo largo del día. El sistema de

seguimiento solar consiste en un

dispositivo que gira los reflectores

cilindro parabólicos del colector

alrededor de un eje de seguimiento.

• La estructura metálica: es la

encargada de dar rigidez al conjunto de

elementos que lo componen.

Figura 2

Elementos que componen un Colector Solar

Cilíndrico Parabólico.

5. Metología La metodología a utilizar es alternativa

ya que se analizan los sistemas del

CCP por separado para al final poder

conjuntar los sistemas, mecánicos,

electrónicos, y auxiliares. En la Fig. 3,

se muestra la sistemática que se sigue

para conseguir un prototipo virtual,

antes de generar costos por un modelo

real.

Figura 3

Metodología

6. Concepto del diseño del CCP El colector solar cilíndrico parabólico

está diseñado para poder concentrar la

mayor cantidad de energía térmica del

día, y que esta pueda calentar aceite

automotriz reciclado que se encuentra

dentro de un tubo evacuado al vacío,

para así poder generar aceite caliente y

este conducirlo a sistemas térmicos

agrícolas. En la Fig. 4 se muestra una

parte de la construcción del CCP en

este caso es la cámara aislante del

concentrador parabólico la cual evitara

perdidas de calor por contacto con el

viento que puede tocar la lámina que en

este caso funcionara cono

concentrador.

Figura 4

Cámara aislante del CCP

El aceite se encuentra frio a

temperatura ambiente este, será

enviado a partir de una bomba que

introducirá el aceite al tubo evacuado,

el control de la interrupción del

funcionamiento de la bomba estará

definido por tiempo el cual permitirá

llenar el tubo evacuado. Dentro del tubo

se contara con un sensor de

temperatura, considerado para el

sistema de simulación se usara un LM-

35, este sensor activara la bomba a

partir de detectar la temperatura

previamente seleccionada por el

usuario.

La posición del CCP estará definida por

la detección de luz solar, el sistema

destinado para el control de

posicionamiento del colector se basa en

el uso de sensores de nivel de luz

(LDR), este sistema ayudara a

aumentar la cantidad de energía

térmica recolectada. El diseño

mecánico conceptual se presenta en la

Fig. 5, el cual permite visualizar la

forma física del CCP y alguna de las

partes a controlar, los materiales y

algunas partes del colector serán

sujetas a análisis mecánicos

posteriores para asegurar su

funcionamiento durante la operación

física del colector.

Figura 5

Diseño conceptual del CCP

7. Diseño del hardware de control de la instrumentación electrónica.

Arduino es una plataforma de

electrónica abierta para la creación de

prototipos basada en software y

hardware libre, flexible y fácil de usar.

Se creó para, diseñadores, aficionados

y cualquier interesado en crear

entornos u objetos interactivos. Fig. 6.

la electrónica es la posibilidad de

Figura 6

Tarjeta Arduino Uno

La tarjeta puede tomar información del

entorno a través de sus pines de

entrada, para esto toda una gama de

sensores puede ser usada y puede

afectar aquello que le rodea

controlando luces, motores y otros

actuadores. El microcontrolador en la

placa se programa mediante el lenguaje

de programación Arduino (basado en

Wiring) y el entorno de desarrollo

Arduino (basado en Processing). Los

proyectos hechos con esta tarjeta

pueden ejecutarse sin necesidad de

conectarlo a un ordenador, si bien

tienen la posibilidad de hacerlo y

comunicar con diferentes tipos de

software (p.ej. Flash, Processing,

MaxMSP) [2].

Se desea automatizar el colector

cilíndrico parabólico, en sus sistemas

principales:

Sistema seguidor de luz

Sistema de control de

temperatura

Se efectuó un modelo de hardware electrónico en el software de simulación ISIS de PROTEUS® Fig. 7, logrando un simulacro del control por medio de Micro Controladores, el cual es gobernado por una tarjeta arduino uno.

Figura 7

Hradware de control electrónico Proteus

ISIS de Proteus, Es un sistema de

diseño electrónico basado en la

simulación analógica, digital o mixta de

circuitos, que brinda la posibilidad de

interacción con muchos de los

elementos que integran el circuito.

Incluye componentes animados para la

visualización de su comportamiento en

tiempo real, además de un completo

sistema de generación y análisis de

señales. También cuenta con un

módulo para el diseño de circuitos

impresos. Las siglas VSM significan

Virtual System Modelling, que en

español podemos traducir como

sistema de modelado virtual, ya que

Proteus VSM permite modelar de forma

virtual en la computadora prácticamente

cualquier circuito. La característica

principal que hace de Proteus VSM uno

de los simuladores preferidos por

muchos aficionados y profesionales de

simular circuitos que incluyen

microprocesadores o

microcontroladores. Aunque el nombre

completo del programa es Proteus

VSM, a partir de ahora nos referiremos

a él solo como Proteus, para mayor

facilidad [1].

8. Instrumentación del colector

Para realizar la automatización e

instrumentación de colector solar

parabólico, se usan dispositivos

electrónicos comunes y de fácil acceso

con el afán de garantizar

funcionabilidad y acceso a la tecnología

para poder realizar la instrumentación

electrónica, por lo que se emplearán

los siguientes sensores:

a) Sensor de Luz

Para detectar los niveles de luz se usa una fotorresistencia (LDR). Esta resistencia cambia con los cambios en los niveles de luz, y cuando se conecta en el circuito mostrado en la Figura 8, se produce un cambio en el voltaje que los pines de entrada análoga del Arduino pueden censar.

Figura 8

Conexión de la fotorresistencia

Este circuito es la forma estándar de usar un sensor que cambia su

resistencia a partir de algún fenómeno físico. El circuito mostrado cambiará el voltaje en el pin análogo 0 cuando la resistencia del LDR cambia con la variación de los niveles de luz.

Un circuito de este tipo no nos dará la gama completa de valores posibles de la entra análoga (0 a 1023) ya que el voltaje no oscila entre 0 y 5 volts. Esto se debe a que siempre habrá una caída de voltaje a través de cada resistencia, por lo que el voltaje donde se juntan nunca llegará a los límites de la fuente de alimentación. Cuando se utilizan sensores de este tipo, es importante comprobar los valores actuales que el dispositivo regresa en la situación en que se estén utilizando. Por lo que, debemos determinar cómo convertir los valores que necesitamos para controlar lo que se desea controlar. El LDR es un tipo simple de sensor llamado sensor resistivo. Una gama de sensores resistivos responden a los cambios de diferentes características físicas. El mismo circuito funciona para cualquier tipo de sencillo sensor resistivo [3]. Sensor de temperatura (LM35) El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC. Puede medir temperaturas en el rango que abarca desde -55º a + 150ºC. La salida es muy lineal y cada grado centígrado equivale a 10 mV en la salida. Sus características más relevantes son:

Precisión de ~1,5ºC (peor caso), 0.5ºC garantizados a 25ºC.

No linealidad de ~0,5ºC (peor caso).

Baja corriente de alimentación (60uA).

arduino) para llevar a cabo la de control para que finalmente estas se

Amplio rango de funcionamiento (desde -55º a + 150ºC). Bajo costo.

Baja impedancia de salida.

Su tensión de salida es proporcional a la temperatura, en la escala Celsius. No necesita calibración externa y es de bajo costo. Funciona en el rango de alimentación comprendido entre 4 y 30 voltios.

Como ventaja adicional, el LM35 no requiere de circuitos adicionales para su calibración externa cuando se desea obtener una precisión del orden de ±0.25 ºC a temperatura ambiente, y ±0.75 ºC en un rango de temperatura desde 55 a 150 ºC.

La baja impedancia de salida, su salida lineal y su precisa calibración inherente hace posible una fácil instalación en un circuito de control [4].

9. Descripción de las etapas de

funcionamiento. Las etapas de este sistema tienen comienzo con el encendido del sistema general, que introducirá aceite al sistema por 10 segundos suficiente para llenar al cilindro a continuación el proceso se ejecutara mediante el mando del sensor LM35 de modo que cuando alcance un rango de temperatura alta seleccionada previamente por el usuario este ejecutara de manera autónoma la introducción de aceite para su calentamiento el proceso se vuelve un ciclo pues se monitorea constantemente la temperatura de modo que el micro controlador se encargara de emitir instrucciones que previamente se realizan en un algoritmo

ejecutaran en base a la respuestas de nuestros sensores, para el sensor de temperatura la función de este dispositivo únicamente será la remoción de aceite caliente por frio; en el caso de los sensores (LDR) serán capaces de posicionar de acuerdo a la comparación de valores altos de niveles de luminosidad en especial la del sol que será nuestro principal enfoque de este sistema puesto que cada sensor se colocara de manera estratégica para aprovechar al máximo los rayos emitidos por el sol así como la exactitud con la que podrá desplazarse para alcanzar el enfoque que la parábola nos permita aprovechar en su totalidad la energía recibida y así repetir el ciclo de inicio a fin las veces que sea necesario sin dificultad alguna.

10. Resultados.

Se logra la representación de la propuesta de modelo completo para el control electrónico del colector, tal y como muestra la Fig. 9.

Figura 9

Diagrama electrónico general

Se realiza la programación del

microcontrolador (en el entorno de

en los colectores cilíndricos parabólicos

simulación, Fig. 10.

Figura 10

Programación del funcionamiento del colector

Se garantiza el correcto funcionamiento

del algoritmo de control, realizando

simulaciones del hardware y software

implementado por Arduino en ISIS de

Proteus® observando el correcto

trabajo de los instrumentos.

Finalmente dicha programación se

comprobó mediante una simulación en

el entorno como se muestra en la Fig.

11.

Figura 11

Simulación del funcionamiento del colector

11. Conclusiones. En este artículo se ha realizado el

análisis para la instrumentación de un

colector cilíndrico parabólico y en base

a dicho análisis se demuestra la

eficiencia que tiene, ya que la después

de haber realizado la programación del

funcionamiento del colector cilíndrico, y

haber realizado el diagrama de

conexión en el entorno de Isis de

Proteus; y es que tanto Arduino como

Proteus son dos softwares de excelente

ayuda ya que con ellos se obtuvo una

correcta simulación de lo que sería el

funcionamiento real del colector,

además de que el funcionamiento que

se plantea es el más viable, ya que

como se menciono es muy eficiente

por todas las características que se

ofrecen.

En cuanto a la utilización y aportación

del sistema seguidor de luz para

aprovechar la mayor cantidad de

energía térmica se rescata que el

sistema mecatrònico utilizado es el

adecuado en cuanto a sus eficiencia y

costo, esto hará que la aplicación física

sea viable y propuesta para el uso en

sistemas de calefacción probablemente

usados en el sector agroindustrial de la

región Nor-oriental del estado de

Puebla, México.

12. Trabajos futuros. Actualmente se está trabajando en la

construcción y pruebas de

funcionamiento manual de un CCP Fig.

12, esto dentro del Instituto Tecnológico

Superior de libres. Los resultados

obtenidos dan la certeza de que el

sistema seguidor de luz aplicado al

CCP podrá beneficiar en el incremento

de captación de calor en concentrado y

asi elevar la temperatura del aceite, con

ello el fluido permanecerá con una

temperatura mayor y durante un largo

tiempo, teniendo con ello la posibilidad

del aprovechamiento del calor obtenido

en aplicaciones de calentamiento de

agua por camisas de aceite, o por

serpentín, y para deshidratación de

frutas y verduras de la región.

Figura 12

Prototipo de funcionamiento manual

El montaje de la instrumentación

está en espera del financiamiento

de la dependencia de gobierno

llamado PRODET , el cual invertirá

una cantidad de dinero en la

implementación del sistema

seguidor de luz y así demostrar

ahora físicamente y no con la

simulación que la automatización

del CCP aumentara el rendimiento

de este dispositivo.

Como una etapa siguiente de este

proyecto está el diseño de un

sistema de camisas de aceite

caliente, para usarlo en el

calentamiento de agua para la

disolución de herbicida y fungicidas

de uso agrícola, con ello aumentar

la disolución de estos agroquímicos

y mejorar su rendimiento. Así

también como el diseño de un

deshidratador de verduras y frutas a

partir del intercambio de calor

utilizando como fluido de transporte

de este aceite reusado automotriz.

13. Bibliografía [1] S. M. Aragón Avilés, Introducción al

software de simulación de circuitos – proteus,

Ibagué, 2011.

[2] UNA GUÍA PRÁCTICA SOBRE EL MUNDO

DE ARDUINO® (GUÍA BÁSICA DE ARDUINO®).

Disponible en:

http://www.tiendaderobotica.com/downlo

ad/Libro_kit_Basico.pdf

[3] SENSOR DE LUZ PARA ARDUINO®.

Disponible en:

www.tallerdeinterfaceselectronicasmm.wo

rdpress.com.mx [4] SENSOR LM35.Disponible en:

http://electronica.webcindario.com/componentes

/lm35.htm.