“sistema mecatrónico fv automatizado como fuente de...

MEMORIAS DEL XXIII CONGRESO INTERNACIONAL ANUAL DE LA SOMIM 20 al 22 DE SEPTIEMBRE DE 2017 CUERNAVACA, MORELOS, MÉXICO

Tema A1b Automatización y control mecánico: (Mecanismos y Mecatrónica)

“Sistema mecatrónico FV automatizado como fuente de energía auxiliar para autos eléctricos autónomos”

Camarillo-Escobedo Rosaa*, Valderrama-Cháirez Joséb, Martínez-Rangel Ivana, Rodriguez-Antunez Bernardoa, López-Villalobos Joséb, Perez-Ruvalcaba Manuelb.

a Tecnológico Nacional de México; Instituto Tecnológico de la Laguna, Blvd. Revolución y Calz. Cuauhtemoc S/N, Col Centro, Torreón, Coah., C.P.

27000, Mex. bTecnológico Nacional de México; Instituto Tecnológico de Nuevo León, Av. Eloy Cavazos #2001, Col Tolteca, Guadalupe, N.L., C.P. 67170, Mex.

*Autor contacto: [email protected]

R E S U M E N

En la actualidad la industria automotriz está orientada hacia el desarrollo de vehículos eléctricos e híbridos por lo que

resulta necesario la implementación de nuevos elementos para una mejor eficiencia energética. El presente trabajo propone

la incorporación de un sistema fotovoltaico como fuente alternativa para la autonomía de vehículos eléctricos. El prototipo

comprende un sistema mecatrónico automatizado de seguimiento solar a dos ejes para una máxima captación de radiación

y la instrumentación electrónica asociada así como un sistema SCADA con comunicación inalámbrica para el monitoreo

y control. Los resultados demostraron que el sistema es sustentable y sostenible. El consumo de potencia para este sistema

podría ser mantenido con una batería recargable de ciclo profundo. La estabilidad y respuesta fue evaluada utilizando un

carrito de golf para generar el seguimiento solar sobre una superficie móvil.

Palabras Clave: Vehículos eléctricos, sistema fotovoltaico, seguidor solar.

A B S T R A C T

Currently the automotive industry is oriented towards the development of electric and hybrid vehicles, which makes it

necessary to implement new elements for better energy efficiency. The present work proposes the incorporation of a

photovoltaic system as an alternative source for the autonomy of electric vehicles. The prototype comprises an automated

mechatronic system of two-axis solar tracking for maximum radiation uptake and associated electronic instrumentation as

well as a SCADA system with wireless communication for monitoring and control. The results showed that the system is

sustainable. The power consumption for this system could be maintaining with a deep well rechargeable battery. Stability

and response was evaluate using a golf car to generate solar tracking on a moving surface.

Nomenclatura

A Área m2

d Diámetro de engrane m

d1 Diámetro de paso del piñón mm

d2 Diámetro de paso de la

corona.

mm

f Fuerza kN

Fr Fuerza resultante kN

Imp Corriente maxima potencia A

Isc Corriente en corto circuito A

n Eficiencia %

Na Numero de dientes del

piñón

-

Nb Numero de dientes de la

corona (Engrane Grande).

-

N Numero de dientes -

N1 Transmisión arrojada por el

motor.

rpm

N2 Transmisión deseada. rpm

P Potencia W

Pe Potencia radiactiva W

Pm Potencia medida W

T Temperatura °C

Tc Temperatura del modulo °C

Vmp Voltaje maxima potencia V

Vm Voltaje medido V

Voc Voltaje circuito abierto V

wa Velocidad del piñón rpm

ISSN 2448-5551 DM 164 Derechos Reservados © 2017, SOMIM

mailto:[email protected]


wb Velocidad de la corona

(Engrane grande).

rpm

Wt Carga transmitida kN

t Incremento de temperatura °C

Vt Diferencia de voltaje

medido al voltaje nominal

V

1. Introducción

Los autos eléctricos precedieron a los de combustión

interna, llegando a adquirir cierta popularidad, sin embargo,

el precio accesible del petróleo, así como su versatilidad

frente a otras fuentes de energía, llevaron al auto eléctrico a

la decadencia. Fue hasta que se tomó conciencia de la alta

dependencia del petróleo, de que este, es una fuente de

energía no renovable y que es altamente contaminante, que

se volvió a mirar hacia la investigación y desarrollo de autos

eléctricos. Aun así, en la actualidad, los autos a gasolina

tienen mayor presencia en el mercado mundial debido a la

gran desventaja que se tiene en la poca duración de la carga

en las baterías usadas. Una alternativa a este problema, es el

aprovechamiento de la energía cinética del automóvil

mediante un sistema de frenado regenerativo [1]. En años

recientes, se ha buscado la manera de reducir los

contaminantes y la producción de gases de efecto

invernadero derivado de la quema de combustible fósil. En

este contexto, se tiene una alternativa al problema de

optimización de energía y contaminación, incorporando

sistemas fotovoltaicos que aprovechen la energía solar

durante su operación bajo la exposición al Sol. Con la

reducción en los costos de la tecnología fotovoltaica, resulta

viable la construcción de sistemas basados en este recurso.

La energía solar es una fuente limpia e inagotable presente

en todas partes del mundo [2], y se ha identificado como una

fuente alternativa de electricidad [3] [4]. Cada año el Sol

arroja 4 mil veces más energía que la que consumimos, por

lo que su potencial es prácticamente ilimitado. En buenas

condiciones, el valor promedio de la potencia de la radiación

es de aproximadamente 1kW/m² en la superficie terrestre.

La potencia y orientación de la radiación solar varía según

el día del año, la hora, las condiciones atmosféricas y la

latitud del lugar de posición del panel solar FV. Por estos

cambios en la orientación, la energía solar obtenida por

paneles situados sobre seguidores solares es superior a la

obtenida por paneles fijos. Las investigaciones y desarrollos

han demostrado que un diseño mecánico optimizado, junto

con un sistema electrónico de seguimiento robusto y

altamente fiable, puede llegar a conseguir aumentos en la

captación solar superiores al 30% de media con respecto a

sistemas FV sin seguimiento. La conversión de energía solar

es uno de los tópicos más importantes de investigación en

energías renovables. Existen diversas formas de realizar esta

transformación, una de ellas, consiste en convertir la energía

solar en energía eléctrica, utilizando paneles FV (Solar

Eléctrica) y otra es convertirla en energía térmica, para la

producción de vapor (Solar Térmica), utilizando

concentradores solares. Encontrar fuentes de energía para

satisfacer el nuevo desarrollo automotriz de vehículos

eléctricos, es uno de los retos más importantes de esta

industria. El reto de convertir, la luz solar en electricidad a

través de células solares FV en el vehículo, es lograr una

autonomía con base en una mayor eficiencia energética de

la captación solar. Un sistema FV de seguimiento solar,

resulta en una buena estrategia para la mejora de la

eficiencia [5].

El movimiento diurno y estacional de la tierra afecta a la

intensidad de la radiación en los sistemas solares. Los

seguidores solares son utilizados para compensar estos

movimientos, manteniendo la mejor orientación relativa al

Sol. Aunque el uso de seguidores solares no es esencial, su

uso puede aumentar desde el 10 al 100% dependiendo de la

fecha y las condiciones geográficas. Se han evaluado

sistemas de seguimiento solar para determinar la eficiencia

en cada uno, siendo el más eficiente los que integran un

seguimiento en eje polar y los de eje azimut/altitud (dos ejes)

[5]. Sin embargo, no se recomienda utilizar el seguidor solar

para pequeños paneles solares, debido a las pérdidas de alta

energía en los sistemas de conducción. Por otro lado, se ha

encontrado que el consumo de energía del dispositivo de

seguimiento solar es del 2 al 3% respecto al incremento de

energía adquirida.

Un seguidor solar puede ser implementado mediante el

uso de un solo eje, sin embargo, para una mayor precisión y

eficiencia en los paneles solares FV, se implementan

sistemas de seguimiento solar en dos ejes [6]. Se describe un

seguidor solar como un dispositivo que mantiene el panel

FV (fotovoltaico) o CFV (foto-térmica) en una posición

óptima, perpendicular a la radiación solar durante las horas

diurnas, aumentando la energía recogida. El primer seguidor

introducido por Finster en 1962, fue completamente

mecánico. Un año más tarde, Saavedra presentó un

mecanismo con un control electrónico automático, que se

utilizó para orientar un Pirheliómetro Eppley [7]. Los

seguidores no tienen que apuntar directamente al Sol para

ser efectivos, si el objetivo se encuentra a 10°, la salida es

aún 98.5% del máximo con un seguimiento completo. En

zonas nubladas, los seguidores logran una ganancia en el

rango del 20%. Generalmente, en una buena zona, las

ganancias anuales típicas se encuentran entre el 30 y el 40%,

y la ganancia en cualquier día dado puede variar desde casi

cero a casi el 100% [8]. Para lograr una mayor captación de

radiación, Thomson analizó el rendimiento del control de

dos posiciones de un plato concentrador único. El colector

fue girado alrededor de su eje inclinado solo dos veces por

día con deflexiones predefinidas. Los resultados indicaron

que el uso de un sencillo seguidor, con la entrada de baja

energía por un breve movimiento diario, aumenta el

rendimiento energético en un 10 al 20% [9]. Helwa et al,

estudió la energía solar captada por diferentes sistemas de

seguimiento solar. Calcularon la energía solar recogida

usando medidas globales, haz de radiaciones y radiación


http://www.energizar.org.ar/wiki/Vatio

http://www.energizar.org.ar/wiki/Metro_cuadrado


difusa en una superficie horizontal. Cuatro sistemas fueron

utilizados en sus experimentos: 1: Sistema fijo con el ángulo

de inclinación de 40° hacia el sur; 2: Seguidor de un eje

azimutal con ángulo de inclinación de 33°, 3: Seguidor de

un eje orientado en la dirección N-S con 6° de ángulo de

inclinación y 4: Sistema de seguimiento de dos ejes, un eje

vertical y el otro horizontal. Se desarrollaron fórmulas para

tres modos de radiación que entran en contacto con las

superficies y mediante un programa se calcularon y

almacenaron las radiaciones diarias para cada sistema. La

comparación entre los datos calculados y medidos mostró un

promedio anual por hora con una desviación cuadrática

media (RMSD) de 5.36, 9.07, 7.92 y 5.98 para el seguidor

del eje vertical, eje inclinado fijo y de dos ejes

respectivamente. Todos los valores fueron de un rango

aceptable [10]. Lorenzo et al., diseñaron un seguidor de un

solo eje vertical (eje de azimut) para evaluar características

de seguimiento de paneles solares FV. Cada uno de los 400

seguidores instalados en España utilizan un motor de CA

estándar de 0.25 HP. El ángulo de inclinación de las

superficies FV se mantuvo constante. Mencionaron que la

energía captada por un seguidor azimutal ideal fue de un

40% superior que la correspondiente a una superficie

inclinada fija de manera óptima y del 10% mayor que la de

seguimiento de eje horizontal. Calcularon las sombras de E-

O y N-S entre dos rastreadores adyacentes ocurridos en la

mañana o por la tarde. Recomendaron, que cuando se

produce el sombreado en la superficie, este puede evitarse

moviendo el ángulo azimut de su valor ideal, lo suficiente

para conseguir la sombra limítrofe que pasa por la esquina

de la superficie adyacente (marcha atrás). Su comparación

mostró que el seguimiento azimut en tierra fue de 40%

mayor que la superficie estática mientras que el

correspondiente costo de energía se puede reducir

significativamente [11]. Pavel et al. Analizaron teórica y

experimentalmente la energía captada con seguimiento y sin

seguimiento en sistemas solares FV bifacial y no bifacial. El

efecto del seguimiento calculado y medido mostró un

incremento del 30 al 40% en energía captada, mientras que

para el seguimiento de caso con paneles bifaciales, dio un

aumento de la energía captada del 50 a 60% [12]. La

cantidad de energía recogida por un panel FV con seguidor,

depende de las condiciones locales así como la eficiencia del

mismo panel [13] [14]. Esta eficiencia se logró por la

incorporación de un control electrónico, el cual fue usado

para orientar de manera automática los paneles solares FV

hacia la región de mayor incidencia de radiación. [15].

Los sistemas de seguimiento solar se clasifican en pasivos

(mecánicos) [16] y activos (eléctricos) [17] que utilizan

motores para orientarse. Los seguidores solares pasivos, se

basan en la expansión térmica de un material (por lo general

freón) o en aleaciones con memoria de forma (AMF) para

desarrollar un seguimiento azimutal capaz de dirigir

sistemas FV [18]. Este tipo de seguidores se compone de dos

opto-actuadores que trabajan unos contra otros, para

equilibrar o igualar la iluminación percibida. La diferencia

en la iluminación de los actuadores genera un desequilibrio

en las fuerzas que se utilizan para la orientación del aparato

en tal dirección donde se iguale la iluminación y restablezca

el equilibrio de fuerzas en los actuadores. La implementación

de seguidores solares activos se pueden categorizar en los

basados en microprocesador y sensor electro-óptico, los

basados en el control de fecha y hora de la PC [19], en base

a células solares bifaciales auxiliares y una combinación de

estos tres sistemas. Los seguidores solares Electro-ópticos

se componen generalmente de al menos un par de foto-

resistencias o células solares fotovoltaica conectados en

anti-paralelo, las cuales son de igual intensidad de

iluminación de ambos elementos, equilibrado

eléctricamente de manera que o bien no hay o hay una

despreciable señal de control en un motor de accionamiento.

En células solares bifaciales auxiliares, las células solares

bifaciales sensan y accionan el sistema en la posición

deseada y el control de fecha y hora de la PC, la PC calcula

la posición solar con respecto al algoritmo de la fecha y hora

y crean las señales para el control del sistema [19]. Para

seguidores solares de un eje tanto como el Seguidor solar

azimutal que realiza el giro alrededor de un eje vertical [20],

como el seguidor solar horizontal, donde la superficie gira

en un eje horizontal [21] se han empleado actuadores

rotacionales, con el objetivo que la normal a la superficie

coincida en todo momento con el meridiano local que

contiene al Sol teniendo por lo tanto una velocidad de giro

variable a lo largo del día. Para el caso de seguidor solar de

dos ejes [22] [23], se ha incorporado un actuador lineal para

modificar la inclinación de los paneles y un actuador

rotacional para la orientación del mismo. Otro desarrollo

consistió en el diseño de un seguidor solar de un eje más

ligero, de carga distribuida, con un costo de fabricación

reducido y diseñado para las cubiertas de los edificios. El

soporte del panel consiste en cuatro láminas elásticas que

permiten inclinar el panel colector según el giro diario, Este-

Oeste [24]. El movimiento se realiza mediante hilos tensores

que están atados al borde del panel y tiran de éste por el

movimiento de un motor. El mecanismo está situado,

mediante los flejes, sobre un soporte metálico que permite

desplazarlo de forma sencilla. El control se basó en un

microcontrolador Arduino ATMega16 y un potenciómetro

angular para medir el ángulo exacto de inclinación [25]. En

otros sistemas de seguimiento solar incorporado algoritmos

basados en cartas solares, calculan los ángulos azimut y de

elevación que permiten generar el movimiento de los

motores de cada eje, dando por resultado un

posicionamiento en el punto de máxima irradiación [26].

La tendencia en el desarrollo de autos eléctricos es la

implementación de sistemas híbridos que combinan fuentes

de energía renovable. Estos sistemas híbridos constan de dos

o más fuentes de energía, un equipo de acondicionamiento

de potencia, un controlador y un sistema opcional de

almacenamiento de energía. Se deben considerar los

diferentes factores de pérdidas energéticas que pueden

existir en la instalación de un sistema FV y que dependen



fundamentalmente de la selección de los componentes del

sistema y el modo de instalarlos.

El presente trabajo propone la incorporación de un

sistema FV como fuente alternativa para la autonomía de

vehículos eléctricos. El prototipo comprende un sistema

mecatrónico automatizado de seguimiento solar a dos ejes la

instrumentación electrónica asociada así como un sistema

SCADA con comunicación inalámbrica para el monitoreo y

control. Para el sistema mecánico se diseñaron dos tipos de

estructuras y mecanismos; uno basado en engranes y

motores DC; y otro basado en un rodamiento base y dos

actuadores lineales. La instrumentación inteligente se basa

en la adquisición y pre-procesamiento de las señales que

provienen de un sistema de sensores para la medición de

radiación solar, humedad y temperatura, así como también

la medición y monitoreo de la posición azimutal, la energía

y potencia entregada por el panel fotovoltaico y la carga de

la batería. El acceso al sistema de control electrónico se

realiza a distancia mediante una HMI-SCADA y

comunicación inalámbrica. La electrónica de control es

basada en microcontroladores de alta gama, puertos de

comunicación inalámbrica. La programación y pantallas

HMI se realizaron mediante software de instrumentación

virtual.

2. Marco Teórico

2.1. Movimiento de la Tierra

El movimiento orbital de la Tierra no es uniforme. La

velocidad lineal media es de unos 29.8 km/s. Este

movimiento viene determinado por la segunda ley de Kepler

o ley de las áreas, según la cual el radio vector que une el

Sol con un planeta, barre áreas iguales en tiempos iguales.

[27]

Durante su movimiento de traslación alrededor del Sol,

el eje de rotación de la Tierra se desplaza paralelamente a sí

mismo, conservando prácticamente invariable su dirección

en el espacio y formando siempre el mismo ángulo Ɛ con la

normal al plano de la eclíptica. Este ángulo Ɛ se denomina

oblicuidad de la eclíptica y su valor es de 23°45’. [28]

Figura 1 – Coordenadas celestes a) horizontales b) horarias. [27]

Para determinar la posición del Sol sobre la esfera celeste,

dada por una pareja de ángulos denominados coordenadas

celestes, Fig. (1), es necesario establecer previamente algún

sistema de referencia. Las coordenadas horizontales son:

El azimut, arco de horizonte celeste comprendido

entre el punto cardinal Sur y el punto donde el círculo

vertical que pasa por el astro corta al horizonte. Se cuenta a

partir del Sur, de 0° a ±180°, positivamente hacia el Oeste y

negativamente hacia el Este. [28]

La altura, arco de dicho círculo vertical comprendido

entre el astro y el horizonte. Se mide a partir del horizonte

de 0° a 90°, positivamente hacia el cenit y negativamente

hacia el nadir. [28]

En lugar de la altura se emplea frecuentemente el ángulo

cenital, z , que es el arco de círculo vertical entre el cenit y

el astro. Se cuenta a partir del cenit, de 0º a 180º, con lo que

la relación entre la altura solar y el ángulo cenital viene dada

por la ec. 1

90z (1)

Las coordenadas horarias son:

El ángulo horario, , que es, por definición, el arco del

ecuador celeste entre el meridiano superior del lugar y el

circulo horario que pasa por el astro. Se mide sobre el

ecuador a partir del punto de intersección entre el meridiano

superior del lugar y aquel, de 0° a ±180°, positivamente

hacia el Oeste y negativamente hacia el Este. [28]

La declinación, , es, por definición, el arco del círculo

horario que pasa por el astro, comprendido entre el ecuador

y éste. Se cuenta a partir del ecuador de 0° a ± 90°,

positivamente hacia el polo Norte y negativamente hacia el

polo Sur. El ángulo que forman los planos del horizonte y

del ecuador depende de la latitud geográfica del observador.

Una expresión comúnmente usada para calcular el azimut se

indica en la ec. 2. [28]

coscos cos

sen sen sen

(2)

2.2. Energía solar

El potencial de energía solar en México, es uno de los más

altos del mundo. Alrededor de tres cuartas partes del

territorio nacional son zonas con una insolación media del

orden de los 5 kWh, el doble del promedio en EUA. La

radiación solar es el flujo de energía que recibimos en forma

de ondas electromagnéticas siendo su unidad de medida la

potencia en vatios (W), mientras la Irradiancia es la

magnitud utilizada para describir la potencia incidente por

unidad de superficie (W/ m2) esto se muestra en la Fig. 2.

Para cuantificar la cantidad de energía que entrega una

potencia variable con el tiempo, es necesario determinar el

a b



área bajo la curva de potencia, mediante la herramienta

matemática de integración como se indica en la ec. (3)

2

1

( )

t

t

Energía P t dt (3)

Figura 2 – Irradiancia-tiempo en un día. [27]

Dividendo ambos lados de la ecuación entre m2, tenemos:

2

1

2 2

( )t

t

Energía P tIrradiación dt

m m (4)

2.3. Efecto Fotovoltaico

La absorción de la luz es simplemente, la conversión de la

energía contenida del fotón incidente en alguna otra forma

de energía, típicamente calor. Sin embargo, algunos

materiales tienen la propiedad de convertir la energía

incidente de los fotones en energía eléctrica. En la Fig. 3 se

observa que de acuerdo a la energía del fotón, un electrón

puede alcanzar un nivel de energía lo suficientemente alto

como para ser liberado del átomo, entonces, los electrones

libres pueden ser capaces de moverse en el material, por

ejemplo, bajo la influencia de un campo eléctrico.

Figura 3 – Efecto fotovoltaico. [27]

Si se disponen contactos eléctricos en ambos lados de la

celda, y se conecta una carga eléctrica, los electrones deben

fluir hacia fuera del lado n, pasar a través de una carga y

entrar por el lado p de la celda. Dado que los huecos no

pueden viajar por los conductores (ya que solo son

representaciones electrostáticas), solo los electrones pueden

moverse a través del circuito eléctrico y cuando éstos llegan

a el lado p se recombinan con los huecos completando el

circuito. A este fenómeno se le conoce como efecto

fotovoltaico. Como es de esperarse, no toda la luz solar

incidente en la superficie de la celda es aprovechada, pues

hay pérdidas por recombinación de cargas, sombreado,

transmisión y reflexión de la luz, además de que una gran

parte de la energía de las longitudes de onda de la radiación

solar no es aprovechada. Los paneles fotovoltaicos son

dispositivos que se encargan de transformar parte de la

radiación solar que incide en ellos en energía eléctrica y sus

principales componentes son las celdas de silicio.

3. Desarrollo del Sistema mecátronico

3.1. Análisis de la Orientación y movimiento del panel FV

La declinación es una función continua del tiempo. La tasa

de cambio máxima de la declinación es en los equinoccios,

con un valor aproximado de 0.5° /día. El ángulo horario (Os)

es el desplazamiento angular del Sol (hacia el este u oeste)

respecto al meridiano local debido a la rotación de la Tierra,

sobre su eje, a 15º/hora. - Por la mañana: Os < 0. - Por la

tarde: Os > 0. Considerando el movimiento angular que debe

de tener cada eje, se consideró el movimiento de altitud el

cual cuenta con un desplazamiento de 180° de Este-Oeste,

durante 13 horas de luz solar en La Comarca Lagunera al

igual que en la Cd. Monterrey. La posición geográfica de la

Región lagunera de Coahuila es 25°53’ y de Monterrey, N.L

25°14’.

Figura 4 – Orientación geográfica del panel [29].

Considerando que se tienen 13 horas de luz emitidos en

el plano de 180° se definió 13.84° aproximadamente 14° por

hora. Por lo que se tiene que el ángulo de desplazamiento es

de 180°-14°*2= 152°, que es espacio de movimiento del

panel.

Fue seleccionado un panel FV modelo PLM-100P/12 de

36 celdas de material policristalino, con una longitud=1.062

m; ancho=0.67 m y un peso de 10.4 kg. La potencia nominal

del módulo es P=100 W. Se utilizaron conectores de

aluminio MC4. Las características eléctricas del panel



fueron las siguientes: Voc=22 V; Vmp= 18.3 V; Isc=6.21 A;

Imp=5.74 A.

3.2. Diseño Mecánico

Para la orientación del panel solar de acuerdo a los ángulos

de movimiento fue necesaria la implementación de un

sistema mecánico robusto y eficiente. Para optimizar el

espacio y lograr estabilidad sobre una superficie móvil, se

diseñaron y evaluaron dos prototipos de estructura de

soporte y mecanismos. Para realizar el movimiento azimut

y de altitud fueron evaluados y seleccionados dos tipos de

actuadores: en base a motor de corriente continua y en base

a actuador lineal.

Prototipo 1

El sistema mecánico se basó en un seguidor azimut/altitud y

se muestra en la Fig. 5. Este tipo de seguidor tiene su eje

primario vertical respecto a la superficie. El eje secundario

es perpendicular al primario. Este tipo de seguidor de dos

ejes consta de una estructura sencilla de soporte y no

requiere estar a gran altura de la superficie de montaje. Este

tipo de seguidor ubica a los paneles solares frente al Sol

girando alrededor de su eje vertical un ángulo conocido

como Azimut, y elevando la inclinación de los paneles a la

Altitud a la que se encuentra el Sol. Su diseño consistió en

una estructura de base tipo poste fabricada en polín sólido y

PTR cuadrado.

Figura 5- Estructura del seguidor prototipo 1.

La estructura tiene un peso total de 55 kg. Las

dimensiones fueron de 1.4 m x 1.2 m x 0.74 m. El soporte

del panel solar FV consistió en un marco fabricado en

ángulo de acero AISI 10-20. Se diseñó e integró un

mecanismo basado en un sistema de engranes piñón-corona.

Para el desarrollo de movimiento azimutal, se fabricó un

engrane de d=26 cm, diente=1 cm y ancho de cara=1 cm con

paso diametral=40 mm. El piñón tiene un diámetro d=4.5

cm, con igual paso diametral de 18 mm y ancho de diente=1

cm, el cual está incrustado a un motor de DC. Para el

movimiento de altitud se integró medio engrane con d=28

cm, paso diametral=31 mm del mismo material al anterior el

cual fue extraído de un auto sedan VW y acoplado al

sistema. Este engrane se hace girar por un piñón de 4 cm de

diámetro con paso diametral de 33 mm y de espesor 1 cm

esto se observa en la Fig. 6. Fue seleccionado un motor de

DC con una velocidad de 25 rpm y potencia de 30 W. La

transmisión necesaria para mover el mecanismo de acuerdo

a ec. (5) fue de 3.84 rpm y la velocidad de la corona fue de

-0.59 rpm de acuerdo a ec. (6).

Figura 6- Sistema de engranes prototipo 1.

2 1 a

b

N

NN N

(5)

a a

b b

w N

w N (6)

De acuerdo al módulo de los engranes de 1.5 mm, d1=18 mm

y d2= 40.5 mm. La carga transmitida del piñón a la corona

fue de Wt=12.73 kN de acuerdo a ec. (7).

1

60000*t

HW

d v (7)

Por lo tanto la fuerza Fr=45.08 kN es mucho mayor a la

fuerza requerida para mover el mecanismo ya que para

moverlo solo es requerido 50.32 Nm.

Prototipo 2

Este Sistema mecánico consistió en un seguidor de

inclinación (TIP-TILT) tiene su eje primario horizontal

respecto a la tierra. El eje secundario es perpendicular al

primario. Los ejes de rotación de este tipo de seguidor están

típicamente alineados con el Norte magnético o con algún

paralelo Este-Oeste. Uno de los ejes permite orientar al

panel en su posición Norte-Sur y el otro en la posición Este-

Oeste. Este sistema consistió en una estructura de base tipo

poste y soporte tipo cruz del panel solar FV ambos

fabricados en aluminio 3003-O con un peso total de 23 kg.

La estructura tiene una dimensión de 1.40m x 1.2m x 0.35



m. El mecanismo consta de una rotula y capucha colocada

entre el soporte cruz y el actuador como se muestra en la Fig.

7. La rotula tiene un diámetro de 5 cm para sujeción a la

capucha y diámetro de 2.5 cm para sujeción al poste para

lograr mayor soporte y estabilidad en el panel FV.

Figura 7 - Estructura de soporte prototipo 2.

Para la selección del actuador lineal se considera la carga vs.

velocidad; el tiempo de funcionamiento y la longitud del

recorrido. Fueron seleccionados dos actuadores lineales

Sandorobotics, con una velocidad de desplazamiento de 1.3

cm/s, por lo que en 5.38 s, alcanza la inclinación necesaria

de 23º que requiere el movimiento del seguidor. Estos

actuadores cuentan con una máxima carga de empuje de

1500 Nm y un torque de 7000 Nm, con una longitud de

carrera de 15 cm que trabaja a 12 v y un consumo de 3 A

con carga máxima.

Para encontrar el posicionamiento adecuado de los

actuadores lineales fue necesario la implementación de la

ley de senos de acuerdo a la ec. (8)

7.519

23x cm

sen

(8)

Para lograr el ángulo de inclinación necesario de 23°, la

distancia del poste a uno de los extremos de la base del

módulo FV, fue necesario considerar un actuador lineal con

punto de partida de 7.5 cm para poder lograr el movimiento

de altitud ya que al salir y contraerse totalmente el vástago

genera el movimiento del panel solar hacia el Este-Oeste y

un segundo actuador lineal genera el movimiento de Norte-

Sur, como se muestra en la Fig. 8. Tomando en cuenta que

el paso de carrera del actuador (15cm) subirá +7.5cm y

bajara -7.5cm, tenemos que con la relación trigonométrica,

la distancia del poste al eje de rotación del actuador es de 19

cm.

Figura 8 - Estructura de soporte prototipo 2.

3.3. Sistema de Potencia

Para el sistema de potencia se realizaron las interconexiones

entre todos los dispositivos del sistema mecatrónico para la

generación de energía fotovoltaica como se muestra en la

figura 9. Se utilizó un panel fotovoltaíco Perlight pnm-100

p/12.

Figura 9 – Diagrama a bloques de conexiones.

El regulador fue configurado con voltaje de carga mínimo

de 9 v y máximo de 13 v, operando las 24 horas. Para realizar

el monitoreo de la carga-descarga de la batería de

almacenamiento de energía, fue necesario llevar a cabo un

acondicionamiento de la señal de voltaje a parámetros que

pudieran ser adquiridos por el ADC con resolución de 10

bits del control. Esto consistió en una relación proporcional

de 12:5 volts. Y una relación de 22:5 volts para la medición

del voltaje entregado por el panel. La electrónica de potencia

con control digital fue aislado mediante opto-acopladores,

evitando así retornos de corrientes que puedan dañar la

tarjeta de control, la etapa fue implementada para ser

aplicada en ambos prototipos. Los drivers para los

actuadores se activan con los 5 volts que envía el

microcontrolador desde la tarjeta de control, para

direccionar el sentido de los actuadores. Para el

almacenamiento de la energía fue utilizada una batería de

ciclo profundo LTH modelo L-29DC-210 que son para



aplicaciones marinas y fotovoltaicas y libres de

mantenimiento para soportar un alto número de descargas

profundas y ser recargados sin afectar su desempeño esto

sirve de respaldo para el banco de baterías que utiliza el

vehículo realizando una interconexión entre ambos a un

convertidor eléctrico Boost converter DC12-48. El

regulador de carga tiene la función de proteger a la batería

cuando se esté recargando por los paneles solares, así como

para el desvío de la carga del sistema hasta que la batería

alcance una carga óptima, modificando la intensidad de los

pulsos evitando que la batería se sobrecargue. El regulador

carga a la batería por medio de PWM.

3.4. Sistema sensorial

En la instrumentación asociada al sistema de sensores se

tendrá que verificar la compatibilidad de dispositivos

electrónicos, para poder lograr la comunicación entre el

microcontrolador y sensor. La temperatura es un parámetro

importante a considerar en la operatividad del panel, esto

debido a la relación que existe entre temperatura y corriente.

A demás de afectar la vida útil y eficiencia del mismo en el

orden del 0.3 al 5% dependiendo del tipo de célula; silicio o

arseniuro de galio. Fue integrado un sensor de temperatura

y humedad DHT11 [30], el cual tiene una interfaz serial

propietaria, para la comunicación con el microcontrolador a

una frecuencia de 1 Hz. Se emplearon 5 módulos de sensores

ópticos LDR para la medición de la intensidad de luz

ambiental. La salida analógica permanecerá en nivel alto

hasta que la intensidad de luz supere el umbral que se haya

fijado. La diferencia de esta cantidad provoca un cambio en

el de voltaje de salida. El voltaje de salida digital es "0"

cuando la intensidad de luz excede el valor fijado y

viceversa. El voltaje de salida analógico aumenta con la

intensidad de la luz. El diagrama de instrumentación

electrónica se muestra en la Fig. 10.

Figura 10 – Diagrama de instrumentación electrónica.

Para la medición de radiación nocturna, se utilizó un sensor

TSL-2561 [31] a un rango dinámico (lux): 0.1 a 40,000 lux

el cual solo será activado para tránsito de baja intensidad

lumínica o para el ahorro de energía cuando se activen los

faros del auto eléctrico híbrido. Este sensor mide luz visible

e infrarrojo, por canales independientes para la generación

de datos de radiación solar, se consideró la BD del Centro

Meteorológico Nacional de la CNA.

3.5. Sistema de control y comunicaciones

El control fue implementado para realizar las operaciones

de adquisición de datos, monitoreo de señales, control de los

actuadores y los enlaces de comunicación con la PC. El

módulo de control integra un microcontrolador PIC 18f4550

[32] a una frecuencia de 8 MHz. El algoritmo de control fue

desarrollado en MikroC PRO for PIC [33]. La comunicación

se establece mediante el puerto serial a una velocidad de

9600 bps. Fueron utilizados módulos Xbee PRO serie 2 con

un alcance de 90 m para establecer una comunicación de RF

[34] punto a punto configurando la PC como emisor

(coordinator) y el tablero del auto eléctrico como receptor

(end-device). Fue desarrollado un sistema SCADA

mediante software de instrumentación visual LabVIEW [35]

para el monitoreo y control de las señales de humedad,

temperatura, módulos de luz, carga de la batería y voltaje

generado por el panel. Esta pantalla virtual se muestra en la

Fig. 11. En la interfaz del SCADA la sección de

“COMUNICACIÓN” se configura el puerto COM para

realizar el enlace con el módulo de RF y poder establecer la

comunicación entre la PC y el módulo Xbee. Cuenta con

botones para la adquisición de datos, almacenamiento de los

datos en archivo. En la sección de “CONTROL DEL

SEGUIDOR” el sistema permite operar al seguidor en modo

Autónomo y modo Manual. De modo manual se puede

manipular de forma directa los actuadores y en modo

autónomo el seguidor solar opera de forma automática. Los

datos de humedad, temperatura, módulos de luz, voltaje

generado por el panel y carga de batería se pueden visualizar

en los demás indicadores que se muestran en la interface.

Figura 11 – Sistema SCADA con comunicación inalámbrica.

4. Resultados

Las pruebas de campo para el sistema mecatrónico para el

seguimiento solar fueron realizadas en Torreón, Coahuila,

durante un periodo de 5 días del 9 al 13 de mayo del 2017



donde se adquirieron datos de temperatura, humedad y

voltajes. Con los resultados proporcionados por

CONAGUA en la gráfica se puede apreciar, los altos niveles

de radiación con máximos de 1000 W/m2 que se muestran

en la Fig. 12.

Figura 12 – Radiación Solar de 1 semana en Torreón, Coah.

El sistema de control y adquisición de datos SCADA

logro enlaces de comunicación obteniendo señales en

tiempo real de parámetros ambientales así como el control

de actuadores. Considerando que en la Cd. De Torreón se

tiene una irradiancia= 1071.71 W/m2 y un área de captación

del panel FV =0.71154 m2; la potencia radiactiva Pe=762.56

W, de acuerdo a ec. (9):

Pe = (área m2)(Irradiancia W/m2) (9)

De acuerdo a la ec. (10) con P=100 W, la eficiencia fue de

13.11%.

Ps

Pe (10)

Las celdas solares son afectadas por la temperatura debido a

que al aumentar ésta, disminuye el voltaje del diodo. Para

una celda de silicio tenemos ec. (11)

2.3ddV mVCdT

(11)

En apariencia, 2.3 milésimas de volt no representan mucho,

pero al considerar que es solo por cada grado centígrado y

por cada celda. Teniendo incrementos de varias decenas de

grados centígrados y muchas celdas en serie, este factor si

es muy sensible. Dado que la potencia depende directamente

del voltaje, la energía que produce la celda también lo es, de

aquí la gran importancia de este parámetro (pérdidas por ∆T)

en el dimensionado de sistemas fotovoltaicos. Para el efecto

de la temperatura en la producción de voltaje del panel FV

se considera la ec. (11).

0.0023(# )( C) ( )T T

VV celdas

C

(11)

Es importante señalar que hay una diferencia en la

temperatura ambiente, y la temperatura en la celda FV.

Considerando Voc=22 V y Vm=19.12 V, tenemos un ∆VT=

2.88 V. Para 36 celdas policristalinas correspondientes al

panel FV, de ec. (11) se encontró ∆T =34.29°C, por lo tanto

la temperatura de la celda es Tc=25°C + 34.29= 59.29°C,

considerando una temperatura ambiente de 25°C. De

acuerdo a la Fig. 13 (a), la temperatura máxima registrada

en el muestreo fue de 38°C por lo tanto la Tc=72.29°C. La

Fig. 13 (b) muestra los datos adquiridos por el sistema

SCADA de la humedad relativa.

Figura 13 – Gráfica (a) Temperatura; (b) Humedad relativa.

La potencia real entregada considerando las perdidas por

temperatura fue, de acuerdo a un valor de máxima potencia

Vmp=18.3 - ∆VT = 15.42 V; si Imp=5.74 A; la potencia real

entregada fue P=88.51 W correspondiente a una eficiencia

de 88.51%, con una perdida por temperatura del 11.49 %.

Los resultados obtenidos en la generación de energía entre

un sistema fijo y el prototipo 2 muestran un promedio

semanal de 13.01 V y 19.12 V respectivamente, lo que

demuestra que el sistema mecatronico FV con seguimiento

logró un incremento del 27.77 % en el voltaje generado

durante el muestreo, logrando compensar la pérdida por

temperatura. Esto se puede observar en la Fig. 14 (a)-(b).

En la Tabla 1 se muestra un comparativo entre los dos

prototipos desarrollados. La principal desventaja mostrada

en la operación del prototipo 1 fue que aun teniendo una

mayor área de movimiento en ambos ejes, el cableado

eléctrico mostró un entrecruzamiento en el giro azimut.

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 200 400 600 800 1000 1200

Rad

iaci

ón

so

lar

(W/m

2)

Muestreo de una semana (1muestra /10minutos)

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

09

:40

10

:20

11

:00

11

:40

12

:20

01

:00

01

:40

02

:20

03

:00

03

:40

04

:20

05

:00

Hu

med

ad R

elat

iva

%

Tem

per

atu

ra °

C

Hora de muestreo

(b)

(a)



Figura 14 – Gráfica comparativa de voltajes promedio (a) sistema

móvil; (b) sistema fijo.

Esto se podría corregir con estrategias de control más

complejas para evaluar los grados de desplazamiento y

evitar el entrecruzamiento del cableado. Otra desventaja que

se presento es que se tienen los mecanismos expuestos al

ambiente por lo que requiere de mayor mantenimiento. En

lo referente a la selección de materiales, el prototipo 2

fabricado en aluminio, tiene un peso menor en un 42%, lo

que lo hace viable al momento de necesitar menor energía

para el desplazamiento del vehículo eléctrico híbrido. La

principal desventaja presentada en el prototipo 2 es el alto

costo al incorporar materiales de aluminio. Existe una

estrecha relación entre el consumo eléctrico del sistema

mecatrónico y el material de fabricación y el peso del

mismo.

Tabla 1 – Características de ambos prototipos mecánicos.

Características Prototipo 1 Prototipo 2 Peso 55 Kg 23 Kg

Dimensión 1.4m x 1.2m x 0.75m 1.4m x 1.2m x 0.35m

Torque máximo 45 KNm 7000 Nm

Área de trabajo Azimut 360° y Altitud

180°

150° Norte-Sur y Este-

Oeste

Mantenimiento 3 veces x año Libre de

mantenimiento

Costo $3000 $8500

Las pruebas del sistema mecatronico FV como fuente de

energía alternativa en vehículos eléctricos híbridos se

realizaron en la recarga de la batería que alimentó a un

carrito de golf eléctrico el cual tiene como tiempo de recarga

por lo menos de 8 a 12 horas cuando la batería es agotada en

su totalidad. Al contar con el sistema instalado en el toldo,

este vehículo mantuvo su operación por 7 horas en intervalos

de operación de 15 min bajo la exposición del Sol

incrementando su autonomía en su operación. Al utilizar

energía FV este sistema fue más respetuoso con el medio

ambiente.

4. Conclusión

De los resultados obtenidos de los 2 prototipos desarrollados

para el sistema mecatronico FV, el sistema con base en

actuadores lineales demostró cumplir con los requerimientos

del sistema, tomando en cuenta la estabilidad, tiempo de

respuesta y eficiencia en generación-consumo energético.

Este sistema tiene un peso 42% menor en comparación con

el prototipo 1, lo que facilita su instalación en el toldo del

vehículo. Por otro lado, los actuadores cuentan con un menor

consumo de corriente eléctrica en el orden de un 10% en

comparación al sistema de engranes y motores, y no tiene la

restricción del entrelazado de cables, además de reducir

caídas de voltaje por longitud del cableado entre actuadores

y sistema de potencia. Con base en los muestreos realizados

de 5 días continuos, se demostró que el sistema mecatrónico

móvil incremento en 27.77% la generación de energía en

comparación a un sistema fijo. Este sistema mantuvo en

operación a un vehículo eléctrico al menos durante 7 horas

a una velocidad mínima logrando un incremento en su

autonomía.

Como trabajo futuro, en una segunda etapa de este

proyecto, el prototipo 2 será interconectado al sistema de

frenado regenerativo para aumentar la eficiencia energética

y autonomía del vehículo híbrido.

Agradecimientos

Los autores agradecen al M.C. Eduardo Guajardo Mesta y al

M.C. David González Flores del Instituto Tecnológico de la

Laguna por su colaboración en temas de diseño mecánico

así como el desarrollo de las simulaciones requeridas.

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0

5

10

15

20

25

11

:10

11

:30

11

:50

12

:10

12

:30

12

:50

13

:10

13

:30

13

:50

14

:25

15

:05

15

:45

16

:25

17

:05

17

:45

Vo

ltaj

e (V

)

Hora

Panel Fijo vs Móvil

(a)

(b)



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