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Sistemas de Seguimiento Solar
CONTENIDO
Introducción
Módulos Fotovoltaicos deConcentración
Resultados Experimentales
Tipos de CeldasFotovoltaicas
Conclusiones
Seguimiento Solar en Lazo Cerrado
Caso de Estudio: Seguidor solar de un eje
Sistemas de SeguimientoSolar
Energía Solar
Radiación electromagnética solar
Radiación solar en México
1. Introducción
Energía eléctrica
2. Tipos de Celdas Fotovoltaicas
CONVENCIONALES
ALTA CONCENTRACION
Celdas Fotovoltaicas Convencionales
Eficiencia comercial < 20%. Costo bajo.
Celda Fotovoltaica de Concentración (CFC)
Eficiencia comercial > 35%. Costo alto.
Celdas Fotovoltaicas de Concentración
Compuesto por: Celda fotovoltaica de concentración (CFC) Elemento óptico de concentración (Lente de Fresnel) Disipador.
3. Módulos Fotovoltaicos de Concentración(MFC)
Lente de Fresnel
CFC
Disipador
Módulo Fotovoltaico de Concentración (MFC)
Módulos Fotovoltaicos de Concentración (MFC)Características:
Su costo baja continuamente. No necesita un área grande de terreno para
su instalación. El calor generado en la celda puede
aprovecharse. Necesitan un sistema de
seguimiento.
Ángulo de aceptancia
• :Angulo máximo de incidencia de los rayossolares respecto a la normal de los lentes deFresnel
• La eficiencia del MFC es del 90% o mayor.• Su valor es del orden de minutos de arco.• : Angulo de Incidencia
Normal del lente
de Fresnel
α
θ
θ
Ángulo de aceptancia (ϴ)
90100
Efic
ienc
ia (%
)
-ϴ 0 ° +ϴ
Relación ángulo de aceptancia-eficiencia de un MFC
Mayor concentración solar implica:• Menor ángulo de aceptancia• Mayor precisión en el seguimiento
Grados
4. Sistemas de Seguimiento Solar
Módulos fotovoltaicos de alta de concentración
Error de seguimiento total en un sistema fotovoltaico de concentración 𝒆𝒆𝒔𝒔
Factores Descripción
Mecánicos • Precisión en la instalación y rigidez del sistema deconcentración.
Relacionados al Seguidor solar
• Sistema de control.• Precisión de los sensores solares.• Juego y fricción en los mecanismos de transmisión de
movimiento
( )mF
( )ssF
0.27s m sse F F θ< + + ° <<se θ
Para mantener una eficiencia en los MFC > 90% se requiere:
; es decir,
Donde 0.27° corresponde a la mitad del ángulo subtendido por el sol y los MFC.
Clasificación de los Sistemas de Seguimiento Solar
Text TitlePlace your own text here
02
Text TitlePlace your own text here
04
Control Características Topologías de control Sensores
Lazo abierto• Baja precisión.• Calibración
constante.
Algoritmo para determinar la posición del del Sol
Coordenadas solares.
Lazo cerrado
Un lazo
• Robustez ante perturbaciones.
• No necesita calibración.
• Alta precisión.
Todo-Nada con histéresis.PI y PID.Asignación de polos.Modos deslizantes.
Foto-sensoresCámaras de video
Doble lazo Control en cascada
Foto-sensoresCámaras de video
Sistemas híbridosCoordenadas SolaresControl Todo-Nada con histéresis.Control PI y PID.
Combinación de un sistema en lazo cerrado y uno basado en Coordenadas Solares
Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Abierto.
1dθ
2dθAlgoritmo
de Estimación
EfeméridesSolares
Localizacióndel seguidor
solar:Latitud,
Longitud
Presiónatmosférica, Temperatura
SeguidorSolar
Fecha,Tiempo
Universal
2 :Angulo de elevación (cenital)dθ
1 :Angulo azimutaldθ
Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Abierto.
Ventajas:• Bajo costo• Insensibilidad a condiciones ambientales.Desventajas:1. Necesitan recalibración si:
Existen movimientos del suelo.Si los módulos se desmontan paramantenimiento.Si el seguidor se relocaliza geográficamente.
2. Son sensibles a perturbaciones
Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Cerrado.
1dθ
2dθLey de Control
SeguidorSolar2 :Angulo de elevacióndθ
1 :Angulo azimutaldθSensor Solar
0+ −
,α β
REALIMENTACION
Sistemas de Seguimiento Solar en Lazo Cerrado.
Ventajas:• Insensibilidad a perturbaciones• No requieren calibración• No son sensibles a la localización geográfica.Desventajas:1. Mayor costo y complejidad.2. Sensibles a condiciones climáticas.
1dθ
2dθLey de Control
SeguidorSolar
2 :Angulo de elevacióndθ1 :Angulo azimutaldθ
Sensor Solar
0+ −
,α β
REALIMENTACION
Sistemas de Seguimiento Solar Híbridos.
Algoritmode Estimación
++
Sistemas de Seguimiento Solar Híbridos.
Ventajas:• Combinan las ventajas de los sistemas en lazo abierto
y en lazo cerrado• Compensan algunas de las desventajas de ambos.Desventajas:1. Mayor costo y complejidad.
5. Seguimiento Solar en Lazo Cerrado
1dθ
2dθLey de Control
SeguidorSolar2 :Angulo de elevacióndθ
1 :Angulo azimutaldθSensor Solar
0+ −
,α β
REALIMENTACION
Seguidor Solar.
2dθ
1dθ
CINVESTAV-IPN. Departamento de Control Automático
Seguidor Solar.
Motores Paso a Paso:• Pueden funcionar en• lazo abierto.
Motores de Corriente Directa:• Requieren de un sistema
de control en lazo cerrado.
Seguidor Solar.
Actuadores lineales
Motor de Corriente Directa
Seguidor Solar.Mecanismos de transmisión(slew drives):
2dθ
1dθ
Sensor Solar.
Fotodiodos
Fotoceldas
Sensores para módulos fotovoltaicos convencionales
Sensor Solar.
López, A. L., & Andreev, V. M. (2007). Concentrator Photovoltaics, Vol. 130 of Springer Series in Optical Sciences. PP 233
Sensores para módulos fotovoltaicos de concentración
Sensor Solar.
Sensor Solar.
• Cuadrante de fotodiodos (OPT101).• Salida de voltaje proporcional
a la intensidad de la luz incidente.
1 2a aV V< 1 2a aV V= 1 2a aV V>1 2s a aV V V= −
Ley de Control.
Ɵ
β
Rayos solares
Cilindro
*
* OPT101
Eje del motor
*
L
Ɵp
ƟL
Plataforma
Sensorsolar
Objetivo: Alinear el cilindro del sensor con los rayos solares
0L pβ θ θ= − =: Angulo del cilindro:Angulo de los rayos solares
L
p
θθ
Ley de Control.
Ley de Control
Control empleando un lazo de realimentación
Motores SeguidorSolar
SensorSolar
+
−
β
0β =
Ley de Control.
Ley de Control
1
Control empleando dos lazos de realimentación: Algoritmo en cascada
Motores SeguidorSolar
SensorSolar
+
−
β−
+
Sensoresde
Posición
Ley de Control
2
0β =
6. Caso de Estudio: Seguidor Solar de un Eje
Ɵ
β
Rayos solares
Cilindro
*
* OPT101
Eje del motor
*
L
Ɵp
ƟL
Plataforma
Sensorsolar
Motor de CD
Sensor Solar Plataforma
Ɵ
β
Rayos solares
Cilindro
*
* OPT101
Eje del motor
*
L
Ɵp
ƟL
Plataforma
Sensorsolar
Ángulo de la luz solar medidodesde el eje de rotación de laplataforma
Posición angular de la plataforma
Ángulo de incidencia de luz medidodesde el plano horizontal
Modelado del seguidor solar de un eje
p Lβ θ θ= −
β
pθ
Lθ
Modelo simplificado plataforma y motor
m mθ aθ bv d+ = +
( ) ( )41 68
76 88m(s) b .
V(s) s s a s s .Θ
= =+ +
Modelo simplificado plataforma y motor:Función de Transferencia
Sistema de seguimiento de luz a nivel laboratorio
Fuente de luz
β
SensorElectro-óptico
Guía rectilínea motorizada
1.2m
Eje del servomotor
Sensor
motor
FocoGuía motorizada
Guía rectilínea motorizada
Seguidor solar de un eje
Relación Ángulo-Voltaje del sensor solar
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Respuesta lineal
( )( )
2 1
2 1
Y Ym
X X−
=−
Constante
Ángulo de la luz incidente.
Pendiente de la parte lineal de larespuesta del sensor diseñado
( )2 2 2P X ,Y=
( )1 1 1P X ,Y=
( )GradosβsK 1sK m=s sv K β=
Ángulo de desviación de los rayossolares en grados.
sv
β
m
Sensor Solar.Caracterización del sensor
Algoritmo de control en cascada
+-
Proceso IIControladorSecundario+-
ControladorPrimario
RefProceso I
Sensor II
Sensor I
Variableprincipal
Lazo Interno
Lazo externo
Variablesecundaria
Control en cascada propuesto
Lazo externo de seguimiento
solar
Seguidor solar
Ɵ Lazo interno de posición del motor
Motor
Error de seguimiento
solar
Caja de engranes
md
Ɵm
rd++
- -
βevK s
vsSensorsolar
Controladorprimario
Controladorsecundario
Lazo de control externo de seguimiento de luz
Ganancia IntegralliKGanancia ProporcionallpKReferenciadr
sv
Error de seguimiento de luzve
v d s se r v v= − = −
Radio de reducciónrÁngulo de desviación de losrayos solares en voltios.sv
K
K+
++-
+
-s Ɵ
Ɵ SW1
Ɵ
K vβr
mr
md
li
lp
l
ssev
Caja deengranes
Ɵpd
Sensor solar
Lazo interno
Seguidor solar
ƟmMotorCD
Controlador PI Posición del sol
rControladoren posición
NP-PI
Lazo de control interno de posición del motor
Ganancia Integral controlador PIviKGanancia Proporcional controlador PIvpKGanancia. Proporcional lazo NPppK
m md me θ θ= −Error de posición del motorme
Constante de saturaciónB
PerturbacionesdGanancia del amplificadorK
K B B1
K
K+
+
K+ -1s
e+-
τ+
dƟƟ + ωsmd m md
vi
vp
e m mpp
ω v MotorCD
Controlador NP
Velocidad del MotorControlador PIPosición del Motor
Señal de control del
lazo externo
Resumen del controlador en cascada propuesto
Lazo interno de posición del motor
Lazo externo de seguimiento solar
K B B1
K
K+
+
K+ -1s
e+-
τ+
dƟƟ + ωsmd m md
vi
vp
e m mpp
ω v MotorCD
Controlador NP
Velocidad del MotorControlador PIPosición del Motor
Señal de control del
lazo externo
K
K+
++-
+
-s Ɵ
Ɵ SW1
Ɵ
K vβr
mr
md
li
lp
l
ssev
Caja deengranes
Ɵpd
Sensor solar
Lazo interno
Seguidor solar
ƟmMotorCD
Controlador PI Posición del sol
rControladoren posición
NP-PI
Comparación entre el control en cascada propuesto y un control PI.
Controlador Proporcional Integral convencional
7. Resultados experimentales 1
K
K+
++-
+
-s Ɵ
Ɵ SW1
Ɵ
K vβr
mr
md
li
lp
l
ssev
Caja deengranes
Ɵpd
Sensor solar
Seguidor solar
ƟmMotorCD
Controlador PIPosición del sol
r
Fuente de luz
Guía rectilínea motorizada
Amplificadorde poderComputadora
Servomotor
Sensorsolar
Codificador Óptico
* MFC
Señal de control
Eje de la caja de engranes
Plataforma
*
*
Esquema del montaje experimental
Prueba de seguimiento de luz. Control PI
lpK
vpK
viK
ppK
liK
GananciaControl
PIControl en
cascada
0.266 0.069
1.216 1.2
- 1.5
- 8
- 100
Ganancias de los controladores usados en la
experimentación
Prueba de seguimiento. Control en cascada propuesto
lpK
vpK
viK
ppK
liK
GananciaControl
PIControl en
cascada
0.266 0.069
1.216 1.2
- 1.5
- 8
- 100
Ganancias de los controladores usados en la
experimentación
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Tiempo (s)
β (°)
Tiempo (s)
β (°)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
Error de seguimiento de luz: Control PI Error de seguimiento de luz producido:control en cascada propuesto
Índice de rendimiento Control PI Control en cascada
EAM (°) 0.134 0.014
Error de seguimiento de fuente de luz
ECMF. Control PI ECMF. Control en cascada propuesto
Tiempo (s)0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
5
10
15
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 500
5
10
15
Tiempo (s)
Índice de rendimiento Control PI Control en cascada
ECMF 14.47 1.41VTC 1.27 0.933
Error cuadrático medio filtrado y variación total de control
8. Resultados experimentales 2 Experimentos con un sensor solar filtrado.
Sensor solar sin filtro óptico infrarrojo Sensor solar con filtro óptico infrarrojo
Error de seguimiento de luz: Control PI sin filtro óptico en el sensor
Error de seguimiento de luz: Control PI con filtro óptico en el sensor
Experimentos con luz artificial
Experimentos con luz solar
Experimentos con cielo claro Experimentos con cielo medio nublado
Conclusiones
Gracias por su atención