sistema de alimentación fotovoltaico con

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UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLO Facultad de Ingeniería Escuela de Industrias Sistema de alimentación fotovoltaico con autoposicionamiento según intensidad de luz Tesis de pregrado para optar al título de Ingeniero en Automatización y Robótica Autor: Alejandro Andrés Camposano Riquelme Profesor Guía: Néstor Palominos González Santiago de Chile, 2016

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Page 1: Sistema de alimentación fotovoltaico con

UNIVERSIDAD ANDRÉS BELLO

Facultad de Ingeniería

Escuela de Industrias

Sistema de alimentación fotovoltaico con autoposicionamiento según intensidad de

luz

Tesis de pregrado para optar al título de Ingeniero en Automatización y Robótica

Autor:

Alejandro Andrés Camposano Riquelme

Profesor Guía: Néstor Palominos González

Santiago de Chile, 2016

Page 2: Sistema de alimentación fotovoltaico con

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UNIVERSIDAD ANDRES BELLO

FACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INDUSTRIAS

INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA

DECLARACIÓN DE ORIGINALIDAD Y PROPIEDAD

Yo, Alejandro Andrés Camposano Riquelme, declaro que este documento no incorpora

material de otros autores sin identificar debidamente la fuente.

Santiago, Marzo de 2016

_____________________________

Firma del alumno

Page 3: Sistema de alimentación fotovoltaico con

iii

Dedicatoria.

Principalmente a mis padres y hermanos por tener fe en mí y apoyarme durante todo mi

proceso de formación y a mis compañeros y profesores por alentarme hasta el final.

Page 4: Sistema de alimentación fotovoltaico con

iv

AGRADECIMIENTOS

Agradezco a mis padres, hermanos y familiares por alentarme desde el primer

día en que elegí estudiar esta carrera, por brindarme su apoyo en los buenos y

malos momentos.

A mis compañeros que me alentaban a perseverar y superarme en cada etapa

de mi formación.

A mis profesores por ver en mí un potencial, dándome herramientas e

inculcando conocimientos y valores durante esta etapa.

Page 5: Sistema de alimentación fotovoltaico con

v

ÍNDICE GENERAL

AGRADECIMIENTOS ....................................................................................... iv

Resumen ........................................................................................................... ix

ABSTRACT ........................................................................................................ x

Discusión bibliográfica. .......................................................................... xi

ANTECEDENTES GENERALES ................................................................. 1

Material del panel .................................................................................. 3

OBJETIVOS ........................................................................................... 7

OBJETIVO GENERAL .................................................................... 7

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ........................................................... 7

Organización y Presentación del Trabajo .............................................. 8

Marco teórico .............................................................................................. 9

Movimiento aparente del sol .................................................................. 9

Sistema de cabezal PTZ. ..................................................................... 12

Lógica difusa ........................................................................................ 15

Control PID .......................................................................................... 20

PWM y Servo ....................................................................................... 24

MPPT ................................................................................................... 25

Estado del arte .......................................................................................... 27

Desarrollo del Proyecto ........................................................................... 30

Explicación del sistema........................................................................ 39

PCB y Conexionado ............................................................................ 42

Page 6: Sistema de alimentación fotovoltaico con

vi

MPPT ................................................................................................... 43

Referencias ............................................................................................... 45

Anexos ...................................................................................................... 47

Códigos de Prueba .............................................................................. 47

Codigo prueba Pan Tilt .................................................................. 47

Page 7: Sistema de alimentación fotovoltaico con

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Mapa radiación solar en Chile. ................................................................................... 2

Figura 2. Panel monocristalino ................................................................................................... 3

Figura 3. Panel policristalino ...................................................................................................... 4

Figura 4. Panel amorfo ................................................................................................................ 4

Figura 5 Carta Gantt ..................................................................................................................... 8

Figura 10. Ilustración puntos de interés. ................................................................................. 10

Figura 11.Recorrido Aparente del sol ...................................................................................... 11

Figura 6. PTZ armado. ............................................................................................................... 13

Figura 7. Soporte PTZ ................................................................................................................ 13

Figura 8. Medidas PTZ ............................................................................................................... 14

Figura 9. Servos MG996R .......................................................................................................... 14

Figura 12 Diagrama de bloques de un sistema Fuzzy ........................................................... 16

Figura 13 Funciones de membresía ......................................................................................... 17

Figura 14 Función membrecía entrada .................................................................................... 18

Figura 15 Función membrecía Salida ...................................................................................... 19

Figura 16 Set de reglas .............................................................................................................. 19

Figura 17.Diagrama bloques PID .............................................................................................. 20

Figura 18. Grafico función de trasferencia .............................................................................. 21

Figura 19.Trasformada de Laplace ........................................................................................... 22

Figura 20. Ejemplo función de trasferencia ............................................................................ 22

Figura 21. Función trasferencia primer orden ........................................................................ 22

Figura 22. Función de trasferencia segundo orden ............................................................... 23

Figura 23. Posicionamiento por PWM ...................................................................................... 24

Figura 24. Pinout servomotor marca futaba............................................................................ 25

Figura 25. Curva I vs V. .............................................................................................................. 25

Figura 26 Componentes sistema tipico simple fotovoltaico ................................................. 28

Figura 27 Diagrama de conexionado ....................................................................................... 30

Figura 28 Interfaz gráfica herramienta Fuzzy .......................................................................... 32

Figura 29 Arreglo de LDRs ........................................................................................................ 33

Figura 30 controlador con 2 entradas y 2 salidas .................................................................. 34

Figura 31. Función membresía de entrada .............................................................................. 35

Figura 32. Función de membrecía de salida ........................................................................... 36

Page 8: Sistema de alimentación fotovoltaico con

viii

Figura 33. Set de reglas ............................................................................................................. 37

Figura 34 modelo simulink ........................................................................................................ 38

Figura 35. Diagrama de flujo. .................................................................................................... 39

Figura 36. LDR ............................................................................................................................ 40

Figura 37. Arreglo LDR y conexionado. ................................................................................... 41

Figura 38. Esquema PCB ........................................................................................................... 42

Figura 39. Esquema conexionado ............................................................................................ 42

Figura 40. LT3652 ....................................................................................................................... 43

Figura 41. Entradas Sunny Buddy ........................................................................................... 44

Figura 42. Salidas Sunny Buddy .............................................................................................. 44

Page 9: Sistema de alimentación fotovoltaico con

ix

Resumen

El cuidado del medio ambiente se ha dejado de lado en los últimos años debido

al crecimiento de población e industrias que emiten gases contaminantes dañinos

para el ambiente como para las personas, esto es debido al empleo de

combustibles tales como el petróleo o el carbón para generar energía, es por ello

que las energías renovables están siendo una alternativa de producción de

energía sin emisiones contaminantes, una de las más ampliamente usadas es la

energía fotovoltaica, que produce energía con las emisiones de radiación

provenientes del sol.

Es por ello que en el presente trabajo se planteara un prototipo que funcione con

energía fotovoltaica, para esto constara de un cabezal móvil al cual se acoplan

los paneles solares, y para efectuar el seguimiento tendrá una parte lógica de

seguimiento que costara de un arreglo de sensores de luz (LDR) conectados a

un microcontrolador, en este caso un arduino, que tendrá un algorito de control

de lógica difusa (Fuzzy Logic) el cual tomara las señales provenientes de los

sensores y según una base de reglas programadas en este, la señal de salida

resultante será la que gobierne los actuadores, servomotores, de manera de

centrar la posición de los paneles de forma perpendicular a la posición relativa

del sol. De esta manera se mejorara el aprovechamiento de las horas de luz

aumentando la energía disponible para el sistema.

Conceptos Clave: solar, panel fotovoltaico, lógica difusa, arduino.

Page 10: Sistema de alimentación fotovoltaico con

x

ABSTRACT

The care of the environment has been shelved in the last years because of the

growing population and industries who emit polluting gases for the environment

and the people, because for the use of fuels like coal and oil to generate electricity,

therefore the renewable energies are an option for the production for energy

without polluting, one of the most used is the photovoltaic energy, that produces

energy form the sun radiation.

That is why in this paper a working prototype photovoltaic energy is raised , for

this would consist of a tailstock which solar panels are coupled , and to track will

have a logical part of follow-up cost of a settlement light sensors (LDR ) connected

to a microcontroller , in this case a arduino , which will contain a fuzzy logic control

which take signals from the sensors and according to a rule base scheduled on

this , the resulting output signal will be send to the actuators , servomotors , to

center the position of the panels perpendicular to the relative position of the sun .

Thus, the use of daylight hours increase the energy available for the system will

be improved.

Keywords: Solar, photovoltaic panel, fuzzy logic, Arduino.

Page 11: Sistema de alimentación fotovoltaico con

xi

Discusión bibliográfica.

Después de analizar las referencias mencionadas en este informe, donde se

trabajó con diversos sistemas las referencias (Li Sze Chow, 2013) postula un

sistema mixto de seguimiento el cual consiste de dos sistemas, uno gobernado

por un conjunto de sensores por ejemplo LDR el cual es más preciso pero

susceptible a efectos ambientales y por otra parte un sistema dependiente del

tiempo donde el panel se mueve de este a oeste en intervalos regulares, siendo

este un sistema robusto libre que no es afectado por el ambiente, en la referencia

[8] se hace hincapié a un algoritmo astronómico para el astro solar que determina

el azimut y elevación del sol mediante el uso de ecuaciones y funciones que

posee Matlab . Mientras que en el estudio (Hung-Ching Lu, 2010) se propone un

diseño que involucra un controlador de lógica difusa un arreglo de sensores LDR

con un patrón en cruz con divisiones para producir sombras según la posición.

Después de contrastar y procesar toda la información relevante se optara por

trabajar con un sistema mixto de seguimiento ya que este tipo de sistemas tiene

dos grandes beneficios, al operar con un sistema pasivo y uno activo se lograra

que el prototipo resultante pueda operar en condiciones de baja luminosidad

como por ejemplo bajo techo, dentro de casas o en condiciones meteorológicas

de cielo nublado donde la luminosidad del sol por efecto de las nubes sufre una

refracción, y a su vez con el sistema pasivo que en este caso será un tipo de

algoritmo astronómico como el citado en (Li Sze Chow, 2013) el sistema podrá

“saber” donde se encuentra respecto al sol y diferenciar entre día y noche por el

mismo modo.

Debido a las implicancias del uso de sensores LDR para dar mayor robustez el

controlador asociado que se usara será uno de lógica difusa el cual nos brinda la

posibilidad de trabajar con “variables lingüísticas” de esta manera podremos

definir una serie de estados intermedios y relaciones de entradas y salidas de

Page 12: Sistema de alimentación fotovoltaico con

xii

manera de compensar los defectos y problemáticas asociados al conjunto de

sensores que se usara en este prototipo.

Finalmente para el soporte a utilizar en vez de usar un armatoste de medianas

dimensiones, para facilitar la construcción y portabilidad el uso de un cabezal

móvil de cámara PTZ será más que suficiente para las pruebas preliminares.

Page 13: Sistema de alimentación fotovoltaico con

1

ANTECEDENTES GENERALES

Debido a la importancia que tiene la preservación del medio ambiente y la

reducción de contaminantes a la atmosfera es que se están utilizando las

energías renovables no convencionales como lo son la energía fotovoltaica,

eólica, geotérmica entre otros.

Es por ello que para efecto de este trabajo se realizara un prototipo optimizado

para la captación de energía fotovoltaica mediante paneles solares, a medida que

se avance en este informe se detallaran todos los aspectos técnicos y

definiciones necesarias para la realización y entendimiento de este, pasando

desde los conceptos más básicos, como lo es entendiendo de donde proviene

dicha energía, hasta definiciones y conceptos más específicos como

controladores de lógica difusa como también componentes básicos que se

utilizaran para este fin.

El fin practico de este prototipo es poder ser aplicado como un sistema de

suministro eléctrico auto suficiente, escalable y portable, para diversas

aplicaciones, ya sean desde centros de monitorización autónomos (alimentados

por energía fotovoltaica), sistemas de alimentación domiciliarias, centros de

producción de energía mediante paneles solares hasta como fuente de

alimentación para pequeños vehículos eléctricos radiocontrolados.

Page 14: Sistema de alimentación fotovoltaico con

2

Dentro de muchos de los parámetros que pueden incidir podemos destacar los

siguientes:

Radiación solar: este parámetro se refiere al nivel de radiación en las unidades

KWhr/m

Figura 1. Mapa radiación solar en Chile.

Como se puede apreciar en la figura el nivel de radiación es bastante parejo en

la región metropolitana, una mayor radiación indica una mayor producción de

kWhr por metro cuadrado que puede ser convertido en energía por los paneles.

Posición relativa del sol: como es sabido nuestro astro solar presenta una

rotación apreciable dependiendo de la hora que sea, con una rotación

Page 15: Sistema de alimentación fotovoltaico con

3

aproximada de unos 15 grados en una hora de este a oeste. A las 12 pm cuando

el sol está en su punto cenit (perpendicular al punto de observación) el Angulo es

cero, durante la mañana el Angulo tiene valor negativo y en la tarde es de valor

positivo.

Respecto a la rotación del sol esto implica un rango de aprovechamiento de la

radiación desde el amanecer hasta el atardecer, en los paneles fotovoltaicos la

condición ideal para la máxima producción de energía de produce cuando la

radiación forma un ángulo de 90 grados respecto al panel, al variar este, se

presenta una variación en la producción de energía.

Material del panel

Actualmente se pueden encontrar diversas configuraciones estructurales de las

celdas fotovoltaicas, dependiendo de cuál sea variara su eficiencia, además de

su tamaño y número de celdas individuales las cuales influyen en su rendimiento.

Podemos encontrar celdas de silicio:

- Celdas de silicio monocristalino.

Los cristales de silicio son controlados en su formación dando un único cristal

homogéneo con lo que se consigue mejor alineación y aprovechamiento del

material

Figura 2. Panel monocristalino

Page 16: Sistema de alimentación fotovoltaico con

4

- Celdas de silicio policristalino.

Los cristales de silicio no son controlados en el proceso de formación dando como

resultado una variedad de cristales diferentes entre sí.

Figura 3. Panel policristalino

- Celdas de silicio amorfo.

En este caso lo que se hace es depositar el silicio en capas sobre un material

base.

Figura 4. Panel amorfo

Siendo las celdas de silicio monocristalino más eficientes que las de policristalino

y estas a su vez a las de silicio amorfo, siendo esta última menos eficiente pero

más barata de producir.

Hoy en día la mayor eficiencia alcanzada por los paneles solares es de un 22%

pero esto conlleva un costo asociado mucho mayor.

Page 17: Sistema de alimentación fotovoltaico con

5

Para fines prácticos en la realización de este prototipo se utilizaran paneles

fotovoltaicos policristalinos por su factor de forma pequeña y precios más baratos

que su contraparte monocristalina pero con un rendimiento inferior. Si en el caso

de que los resultados finales no son los esperados se pensara en utilizar otro tipo

de panel para evitar un rendimiento negativo lo que hará que el prototipo sea

inviable.

Teniendo estos factores en consideración estos parámetros el que menos se

optimiza en la posición del sol, un ejemplo clásico es un faro con sistema

fotovoltaico fijo, si bien la posición y el ángulo en que es colocado es ajustado

para aprovechar al máximo la radiación por ser fijo ya presenta inconvenientes

por el ángulo y la rotación relativa que cambia según la estación del año.

Es por ello que una manera de optimizar este proceso un sistema de seguimiento

es una buena alternativa ya que de esta manera se asegura que el panel en el

mayor tiempo posible este mirando siempre con un ángulo óptimo de 90 grados

al sol durante el día.

Ahora bien este escenario nos presenta un obstáculo si bien es posible

implementar un sistema básico con sensores LDR este funcionaria en el mayor

de los casos pero si el día se encuentra nublado la intensidad lumínica disminuye

pero la radiación solar se mantiene entonces nos encontraríamos en un

escenario donde la solución ya no sirve, es por ello que también se puede

complementar un a este sistema activo otra manera pasiva de poder seguir al sol

aun si esta nublado, para esto existen algoritmos especiales que pueden calcular

con exactitud la rotación relativa del sol respecto a un punto fijo conociéndose su

latitud, longitud, altura, día , mes ,año y hora de esta manera es posible saber a

dónde posicionar el panel aun en días nublados.

Page 18: Sistema de alimentación fotovoltaico con

6

Para la parte se seguimiento activo se pueden usar servomotores de hobby, los

cuales presentar un factor de forma compacto con un torque aceptable y

consumo bajo ideal para este sistema, para poder reconocer a donde está el sol

respecto al panel un arreglo de 4 sensores LDR dispuestos es cruz y con una

separación metálica de manera que si el sol esta de costado algunos de los

sensores tendrán sombra producto de la separación y si están todos mirando al

sol entonces ninguno presentara sombra, para este sistema propuesto de

implementar un controlador difuso que nos permite operar con variables

lingüísticas tales como “ángulo cero”, “ángulo casi cero”, ‘ángulo positivo’’,’’

ángulo negativo’’, entre otros.

.

De esta manera podemos tener una cantidad de estados intermedios que nos

servirá para operar en los diversos casos, también se podría utilizar otros tipos

de control como por ejemplo PID, MPC, a diferencia de estos controladores el

control Fuzzy no necesita el modelo matemático de la planta que en este caso

sería el conjunto del panel con su sistema de seguimiento ahorrándonos tener

que modelar el sistema completo y aplicar algoritmos de sintonización, en cambio

el controlar de lógica difusa solo requiere la experiencia del operador.

Page 19: Sistema de alimentación fotovoltaico con

7

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Desarrollar un sistema de seguimiento inteligente que capte las

variaciones en las emisiones solares durante del día para autocorregir su

posición.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Implementar un sistema de control basado en lógica difusa que será en

encargado de procesar las lecturas provenientes de los sensores para la

corrección de la posición.

Implementar un algoritmo se seguimiento pasivo desarrollado en MatLab

además del controlador para proveer funcionamiento aun en días

nublados.

Desarrollar un prototipo a escala a modo de investigación sin estudios de

costo asociados

Page 20: Sistema de alimentación fotovoltaico con

8

Figura 5 Carta Gantt

Organización y Presentación del Trabajo

En este presente trabajo se detalla la estructura de distribución como se detalla:

Capítulo 1: Se hace una introducción de lo que es el proyecto y los fines que

buscamos lograr además de definir los objetivos de este mismo.

Capítulo 2: Se detalla el existente problema de rendimiento de los paneles solares

y como afecta la dirección de incidencia de los rayos del sol en la producción de

energía fotovoltaica y como se pretende solventar esta falencia con un sistema

de auto posicionamiento por variaciones en la iluminación del ambiente.

Capítulo 3: Se explica el desarrollo del proyecto en sí mismo explicando el modo

de funcionamiento de los componentes por separado y como se relacionan en

conjunto para generar la solución.

Capítulo 4: Se detallan el banco de prueba al que se someterá el prototipo en

respuesta de poder cuantificar el aporte que la solución antes planteada trae

consigo tras su implementación.

Page 21: Sistema de alimentación fotovoltaico con

9

Marco teórico

Movimiento aparente del sol

Para entender como este proyecto intenta solucionar una problemática primero

necesitamos conocer el trasfondo del problema mismo.

En primer punto a tratar es el “movimiento aparente del sol”, como ya es sabido

desde tiempos antiguos que en nuestro sistema solar son los planetas los que

orbitan alrededor del sol, aun así desde la tierra se tiende a pensar “que el sol se

mueve” pero este efecto se debe al movimiento de traslación y rotación del

planeta mismo lo que da la ilusión de que el sol se mueva de este a oeste.

Debido a la trayectoria de forma elíptica que recorre la Tierra durante el año y

sumado a la rotación la “posición” del sol varia durante todo el año, es por este

motivo que introduciremos los conceptos de acimut, cenit y elevación.

Para entender lo que es cada concepto se empezara con el cenit. El punto cenit

se refiere al hemisferio del cuerpo celeste que se encuentra sobre la vertical del

observador, siendo el punto más alto y por sobre el observador (90 grados), este

punto será usado como el punto de referencia cero de nuestro sistema

representado el medio día que es cuando el sol está en su punto más alto.

Después tenemos al acimut el cual corresponde al ángulo el en plano horizontal

desde el observador hacia el norte hasta la proyección vertical del astro.

Finalmente tenemos el último concepto el cual es la elevación que es la tercera

coordenada para poder situar al sol, el cual es el ángulo comprendido por el arco

desde la horizontal hasta el astro de interés.

Page 22: Sistema de alimentación fotovoltaico con

10

Figura 6. Ilustración puntos de interés.

Ya teniendo claro un sistema de referencias de coordenadas para el astro solar

cabe mencionar que el movimiento varía con las estaciones del año de modo que

hay que tener en consideración la época del año dentro de los cálculos para la

corrección de las coordenadas ya que la variación es sustancial de una estación

a la otra por lo que hay que agregar una serie de datos en los cálculos para poder

corregir este inconveniente.

Page 23: Sistema de alimentación fotovoltaico con

11

Figura 7.Recorrido Aparente del sol

Como se detalla en la figura 10 se pueden apreciar 3 recorridos aparentes del

astro donde el solsticio indica el punto de máxima y mínima altura aparente que

suceden en verano e invierno, y donde el equinoccio indica un punto intermedio

de transición, esto se refleja en la “duración” del día.

Page 24: Sistema de alimentación fotovoltaico con

12

Como este es un movimiento progresivo durante el trascurso del día es posible

calcular la elevación y el acimut del sol mediante un sistema de ecuaciones que

se detalla a continuación.

sin 𝛼 = cos 𝐿 cos 𝛿𝑠 cos ℎ𝑠 + sin 𝐿 sin 𝛿𝑠

sin 𝛼𝑠 =cos 𝛿𝑠 sin ℎ𝑠

cos 𝛼

Ecuación 1. Ecuaciones para acimut y elevación

Donde, α= elevación solar, αs= acimut solar, δs=declinación solar, hs =hora

angular, L=latitud.

Para determinar la hora angular se usara una función propia de Matlab

SolarAzEl el cual utiliza la hora estándar UTC, la fecha, latitud y longitud local

además del nivel sobre el mar, de este modo podemos obtener las coordenadas

deseadas para el seguimiento del sol en tiempo real.

Sistema de cabezal PTZ.

Para el presente fin se optó usar un cabezal que tuviera dos grados de libertad,

específicamente que permitiera realizar rotaciones en torno a dos ejes de manera

tal de poder tener un campo de trabajo “esférico”, teniendo en cuenta esto la

mejor solución para el prototipo es el uso de un cabezal metálico que usan las

cámaras del tipo Pan-Tilt-Zoom (PTZ) lo que nos brinda una rotación horizontal y

otra vertical, este cabezal está diseñado para usar servomotores de hobbies a

continuación se detallan en las próximas figuras los aspectos generales.

Page 25: Sistema de alimentación fotovoltaico con

13

Figura 8. PTZ armado.

Figura 9. Soporte PTZ

Page 26: Sistema de alimentación fotovoltaico con

14

Figura 10. Medidas PTZ

Para el movimiento de nuestro sistema PTZ usaremos Servomotores de

hobbies con engranaje metálico de alto torque modelo MG996R los cuales

tienen un voltaje de operación de 4.8 V a 7.2 V y un par máximo de torque de

hasta 15 Kg-cm.

Figura 11. Servos MG996R

Page 27: Sistema de alimentación fotovoltaico con

15

Lógica difusa

Otro punto a entender de este proyecto es la lógica difusa o Fuzzy Logic en

inglés.

Este concepto fue formulado en el año 1965 por el ingeniero y matemático Lofti

A. Zadeh como un complemento para la lógica clásica, de este modo sería

posible poder modelar y operar en situaciones de la vida “cotidiana” donde todo

es relativo o confuso. Una manera de poder contextualizar la funcionalidad de

esto es mediante un ejemplo bastante fácil de comprender.

Supongamos un caso ideal donde tenemos, por ejemplo, las estaturas de un

número de personas cualquiera, donde nosotros definimos los límites de

”pequeño” y “grande”, donde grande será todas aquellas personas que midan

sobre 1.80 M y por debajo de ese número se consideraran pequeñas, ahora bien

esta clasificación seria la clásica para la lógica de siempre ¿pero que pasa si

tenemos que un individuo mide 1.799 M?, según las reglas de la lógica clásica

que antes mencionamos esa persona es baja, ya que no cumple con pasar el

límite del 1.80 M pero todos sabemos que no es así, ya que sería “casi alto” en

este contexto en que la lógica difusa entra en acción ya que podemos agregar

variables lingüísticas como las expresadas anteriormente y además podemos

darle una ponderación, esto es decir, que en el caso anterior podemos tener

estados intermedios o difusos por ejemplo “casi alto”, ”no tan alto” según sea

necesario, de esta manera esa persona seria categorizada como “casi alta”

siguiendo la lógica difusa pero sería baja según la lógica clásica.

Ya con una idea de cómo funciona la lógica difusa en hora de pasar más al lado

técnico de cómo funciona. Función de membresía

Page 28: Sistema de alimentación fotovoltaico con

16

Figura 12 Diagrama de bloques de un sistema Fuzzy

En la figura 11 se pueden apreciar los componentes fundamentales de la lógica

difusa donde podemos apreciar una entrada X y una salida Y, el proceso de

Fuzzification toma la señal de entrada al sistema y lo adapta para poder ser

tratado por el resto de los bloques, siguiendo los bloques después esta la zona

de lógica de decisión que es donde se somete la entrada a un conjunto de reglas

definidas por el usuario que se encuentran en la base de reglas fuzzy, estas

reglas tienen una estructura interna del tipo IF THEN de manera que su

elaboración y comprensión es bastante sencilla, después de aplicar el conjunto

de reglas, la señal resultante se vuelve a tratar pero de manera inverza mediante

el proceso de de fuzzyfication que toma la señal y la adapta para ser usada en el

“exterior” finalmente transversalmente a estos bloque están las funciones me

membrecía, como se dijo anteriormente que una de las ventajas de usar este tipo

de lógica es poder usar variables lingüísticas y poder darles peso, es decir,

asignarles una ponderación especifica según sea requerido, y la manera en que

esto sucede es mediante las funciones de membrecía.

Las funciones de membresía en la lógica difusa se definen mediantes curvas de

funciones características.

Page 29: Sistema de alimentación fotovoltaico con

17

Figura 13 Funciones de membresía

Estas funciones tienen la forma que se ilustran en la figura 12, de esta manera

al fijar los puntos a,b,c y d en los gráficos correspondientes se pueden fijar los

valores y ponderaciones de los conjuntos que utilizaremos.

El criterio sobre cual forma se debe usar y cuál es la ponderación ideal es un

proceso empírico por lo cual la experiencia del operador en fundamental para

poder definir el conjunto de funciones necesarias, esta es una de las diferencias

respecto a los otros modelos de control ampliamente usamos como por ejemplo

el algoritmo PID o el controlador predictivo basado en modelo o MBPC ya que

esos necesitan de por si un modelado de lo que se requiere controlar y además

implica usar técnicas de sintonización especiales dependiendo del modelo de la

planta, por el contrario Fuzzy Logic no necesita ni modelo ni alguna técnica

especifica de sintonización sino más bien solo la experticia del operador y con

ensayo y error se puede perfeccionar la respuesta final.

Siguiendo con los componentes clave, como se mencionó anteriormente existe

un conjunto de reglas que son aplicadas, estas reglas utilizan las variables

lingüísticas de entrada y salida que son definidas durante la creación del

controlador (estos pasos de detallaran más adelante), la estructura básica de

estas reglas es IF THEN, un ejemplo ilustrativo seria el siguiente:

Page 30: Sistema de alimentación fotovoltaico con

18

Supongamos que queremos controlar la temperatura de una habitación, esta

regulación es mediante la apertura o cierre de una válvula con actuador en un

conducto por donde entra aire caliente.

En este escenario se define las variables lingüísticas de entrada como “frio”,

“tibio”, “caliente”, con valores de 23°C, 25°C y 27°C respectivamente, y las

variables lingüísticas de salida que en este caso son del actuador en la válvula

son “válvula abierta”, “válvula a la mitad” y “válvula cerrada” con valores de

apertura del 100%, 50% y 0% respectivamente.

Las funciones de membrecía son las siguientes para entrada y salida

Figura 14 Función membrecía entrada

Page 31: Sistema de alimentación fotovoltaico con

19

Figura 15 Función membrecía Salida

Ya teniendo nuestras funciones de membrecía colocadas en hora de definir

nuestro set de reglas, para no complicar el ejemplo solo usaremos 3 reglas que

serán para los casos de frio tibio y caliente, pero se pueden poner tantas reglas

sea necesario.

Las reglas quedarías del formato IF(entrada es…) Then (salida es…)

Figura 16 Set de reglas

Page 32: Sistema de alimentación fotovoltaico con

20

De esta manera el sistema une estas 3 reglas para generar la gama completa de

respuestas que hay para la entrada, de esta manera se crea una respuesta del

tipo lineal.

De esta manera queda graficado con este ejemplo como es que funciona la lógica

difusa.

Control PID

Dentro delos métodos de control ampliamente utilizados se encuentra el clásico

controlador por algoritmo PID. Este tipo de control utiliza una señal de error

(retroalimentación negativa) para ajustar la salida de este mismo.

Este tipo de algoritmo consta de 3 partes fundamentales.

Figura 17.Diagrama bloques PID

Como se aprecia en la figura numero 16 hay 3 bloques:

El bloque “P” es del tipo proporcional, no es más que una ganancia programable

para controlar la velocidad de respuesta del sistema, valores elevados resultan

en respuestas rápidas pero exageradas como lo pueden ser impulsos, y valores

muy bajos retardan significativamente la velocidad de respuesta del sistema, su

principal desventaja es que aparece un “offset” o error de estado estacionario.

El bloque “I” es del tipo integrador, este bloque lo que hace es integrar el error en

tiempo real con ello se pueden eliminar el “offset” o error de estado estacionario,

que corresponde al desfase que hay entre el “setpoint” y la señal de salida, este

Page 33: Sistema de alimentación fotovoltaico con

21

fenómeno ocurre cuando solo hay control proporcional al integrar este bloque se

elimina el error permanente de estado estacionario, este bloque solo funciona en

régimen estacionario.

El bloque “D” es del tipo derivativo, al derivar el error en tiempo real se puede

tener una “predicción” del comportamiento, matemáticamente la derivada

corresponde a la pendiente de una función en un cierto tiempo, al obtener dicho

valor el algoritmo tiene una noción de la evolución de la salida, por lo cual puede

actuar, este bloque solo actúa en régimen transitorio.

Antes mencionamos los estados transitorio y estacionario, para comprender

mejor lo que significa cada concepto el siguiente grafico de una función de

trasferencia en el tiempo explicaremos lo anterior.

Figura 18. Grafico función de trasferencia

Como se puede apreciar la región transitoria corresponde al intervalo de la

función donde esta tiene cambios variables y no es constante. Por otro lado la

región permanente es donde la función se estabiliza y tiene a ser constante.

Antes de seguir con los demás conceptos relevantes hay que aclarar algo, el

grafico 17 muestra una función de trasferencia ¿pero que es esta?

Una función de trasferencia en primer lugar es un modelo matemático de un

sistema, dicho modelo puede ser por ejemplo un motor, una caldera, vasos

comunicantes, un resorte con una masa adherida, estos sistemas se pueden

modelar mediantes sistemas de ecuaciones diferenciales, dichas ecuaciones

Page 34: Sistema de alimentación fotovoltaico con

22

resultan muy difíciles para trabajar y resolver es por ello que se emplea la

trasformada de Laplace.

Figura 19.Trasformada de Laplace

Esta trasformada es una integral que se aplica para poder cambiar del dominio

del tiempo a un dominio discreto donde es más fácil trabajar, al aplicar la

trasformada al modelo representado en sistemas de ecuaciones diferenciales el

resultante es una función de trasferencia.

Figura 20. Ejemplo función de trasferencia

Esta función varía dependiendo del modelo matemático de origen por lo general

las funciones de trasferencias que a nosotros nos interesan corresponden a

funciones de primer o segundo orden.

Las funciones de primer orden son aquellas de la siguiente forma:

Figura 21. Función trasferencia primer orden

Y de segundo orden son de la siguiente forma:

Page 35: Sistema de alimentación fotovoltaico con

23

Figura 22. Función de trasferencia segundo orden

Estas funciones pueden representar sistemas complejos como procesos de

mesclado, hornos industriales, estanques comunicados, etc.

El control PID se aplica sobre estas funciones, es por esto que una de los

requisitos para poder implementar dicho tipo de algoritmo es tener el modelo

matemático de la planta o sistema a controlar ya que es necesario saber la

estructura matemática de esta para poder encontrar los valores óptimos de

ganancias proporcionales, derivativas e integrales que nos permitirán controlar

con mayor precisión nuestro sistema.

Para este cometido existen varios métodos que requieren el modelo matemático

ya que nuestro sistema no utiliza un algoritmo PID no entraremos en detalle de

los métodos pero si los nombraremos.

Algunos de los métodos que existen son los siguientes:

Método en lazo cerrado

Método en lazo abierto

Método de Ziegler y Nichols en lazo cerrado

Método de Ziegler y Nichlos en lazo abierto

Método de Tyreus y Luyben en lazo cerrado

Método por tanteo experimental.

A excepción del último método es necesario conocer la función de trasferencia

del sistema para poder calcular los valores óptimos para la sintonización del PID

Page 36: Sistema de alimentación fotovoltaico con

24

ya que cada uno de estos métodos se aplica según el tipo de modelo matemático

asociado.

PWM y Servo

Para poder mover nuestro cabezal con todos los componentes como se

mencionó antes se implementaran unos servomotores de hobbie, estos vienen

con tamaños fijos y fuerzas de par variados.

Estos componentes mecánicos funcionan mediante la aplicación de una señal

PWM o señal de ancho de pulso modulado, esta señal es básicamente una señal

cuadrada que va alternando entre un estado bajo y un estado alto en un

determinado tiempo, la relación entre estos dos tiempos es lo que se llama ciclo

de trabajo o duty cicle, dependiendo del valor del ciclo de trabajo es donde se

colocara el servomotor, estos valores son detallados en las hojas de datos de los

fabricantes, pero en la mayoría estos son los mismo debido al tipo de aplicación

específicas, las siguientes figuras ilustraran el conexionado y cómo funciona el

posicionamiento por PWM.

Figura 23. Posicionamiento por PWM

Page 37: Sistema de alimentación fotovoltaico con

25

Figura 24. Pinout servomotor marca futaba

MPPT

Una parte fundamental de nuestro sistema es el MPPT que quiere decir

maximun power point tracking por sus siglas en inglés, esta es una técnica

utilizada en energías renovables como la fotovoltaica y la eólica que busca

maximizar el poder de salida del sistema.

Este método nace por la curva característica I-V que poseen los paneles

solares, en su curva característica se aprecia su funcionamiento no lineal.

Figura 25. Curva I vs V.

Page 38: Sistema de alimentación fotovoltaico con

26

Es por esta razón por la cual es necesario compensar este comportamiento de

alguna manera de ahí viene la implementación del MPPT. Como se trata de una

técnica esta tiene varias variantes, algunas son la siguiente

Método Perturbación y observación: en este método el controlador lo que

hace es variar el voltaje en una cantidad baja desde los paneles y

monitorea la potencia, si se detecta un incremento en esta el controlador

seguirá variando el voltaje hasta el punto que la potencia ya no sea

incrementada y es ahí donde mantiene el voltaje para una mayor entrega

de potencia, este método es uno de los más sencillo y aplicados si bien

puede resultar en una oscilación en la salida mientras este se ajusta, se

considera un método de alta eficiencia ya que aprovecha la forma de

“montaña” que posee la curva para una predicción adaptable.

Método de conductancia incremental: este método es bastante similar al

anterior pero es más complejo ya que monitorea las variaciones de voltaje

y corriente en el arreglo mediante sus derivadas(𝑑𝐼 𝑑𝑉)⁄ , de esta manera

el tiempo de respuesta de este método es menor que el anterior, el ajuste

se hace cuando se igualan las derivadas con la condición actual del

sistema(𝐼 𝑉⁄ = 𝑑𝐼 𝑑𝑉)⁄ y se mantiene hasta que hay un cambio en la

radiación y el proceso se repite.

De esta manera se consigue siempre que nuestro arreglo de paneles pueda

suplir una potencia máxima dependiendo de las condiciones ambientales y

lumínicas durante su funcionamiento.

Page 39: Sistema de alimentación fotovoltaico con

27

Estado del arte

En la actualidad la aplicación de energías no renovables como una alternativa de

ahorro a largo plazo es cada vez más habitual y asequible que van desde

pequeñas celdas de menos de 1 KiloWatt hasta ya soluciones para potencias

mayores habitualmente instaladas en azoteas de edificios con el fin de poder

abaratar costos energéticos, a pesar de ser una buena alternativa por el simple

hecho de aprovechar la energía proveniente del sol, esta no está libre de

inconvenientes.

Los principales inconvenientes que podemos apreciar son los siguientes.

1- Rendimiento: como es conocido la producción de energía de un panel

fotovoltaico es baja en comparación con otros métodos donde se puede

aprovechar de mejor manera la energía, el rendimiento promedio de los

paneles son entre el 10% al 20% en los mejores paneles, el rendimiento

mismo está dado por la estructura interna del panel como lo es el tipo de

cristal, la forma y la pureza del mismo.

2- Costos: Implementar una solución del tipo fotovoltaica generalmente se

cómo una inversión a largo plazo donde la inversión de recupera en lo

general en un plazo no menor a las 8 años aproximado ya que los

componentes mismos de la solución misma son diversos, especializados

y de alto costo, en la siguiente figura se aprecian las variedad de

componentes necesarios

Page 40: Sistema de alimentación fotovoltaico con

28

Figura 26 Componentes sistema tipico simple fotovoltaico

3- Radiación: dependiendo de la zona misma donde se piensa instalar los

paneles solares la radiación solar presente es algo que se toma en

consideración, en algunos lugares la radiación es mayor como lo hay

lugares donde es menor, este índice se conoce como irradiancia el cual

se define como “potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo

de radiación electromagnética.” Y se expresa según la siguiente figura.

Ecuación 2. Ecuación de irradiancia

Page 41: Sistema de alimentación fotovoltaico con

29

Y la unidad típica es watt/metro2, como se aprecia en la figura 1 la

irradiancia reflejada en Santiago es de aproximadamente de 5.5 Kwh/M2

con este dato sabemos la energía incidente por metro cuadrado.

4- Movimiento aparente del sol: esto se refiere más a las horas disponibles

de radiación solar en el trascurso del día que contempla desde el

amanecer hasta la puesta de sol, es en este punto es el que el proyecto

se concentra puesto que la orientación que presente el panel durante el

día reflejara una mejora en la captación y trasformación de energía.

5- Materiales/configuración: como es sabido el principal material de los

paneles es el silicio que es un semiconductor con una variedad de

propiedades interesantes.

Dependiendo del proceso de fabricación de la oblea de silicio que se usara

y las impurezas agregadas para “dopar” el silicio podemos distinguir los

siguientes.

-Monocristalino

-Policristalino

-Cristal amorfo

Page 42: Sistema de alimentación fotovoltaico con

30

Desarrollo del Proyecto

Como se habían mencionado anteriormente para el cabezal móvil del prototipo

se decidió usar un soporte PTZ adaptado para uso con servomotores de hobbie

de modo de poder brindar dos grados de libertad al modelo, mediante

articulaciones rotacionales se consiguió este fin.

En primera instancia se realizó una prueba para ver el funcionamiento del

cabezal por sí solo, para esto se armó un circuito de prueba básico que consta

de un arduino con un programa básico que lee 2 potenciómetros los cuales le

indican la posición al servomotor, la alimentación del cabezal la realizo un

cargador portátil de celulares que en su interior tiene baterías de litio 18650 que

en conjunto con el circuito administran un máximo de 1 Amper

Figura 27 Diagrama de conexionado

Como se describió anteriormente en el marco teórico el funcionamiento base

dela lógica difusa toca ahora explicar cómo es que se aplicara a nuestro

proyecto.

Las implicaciones que tiene usar la lógica difusa para el control del cabezal

móvil son variadas, principalmente la creación del controlador mismo de lógica

difusa, ya que se pueden crear de variadas maneras, se puede usar una

herramienta que posee Matlab que se llama fuzzy, esta utilidad nos permite

crear un objeto fuzzy, por objeto nos referiremos a un fichero que se asocia a

Page 43: Sistema de alimentación fotovoltaico con

31

un controlador fuzzy en simulink, esta es una de las maneras en que se puede

implementar ya que en este caso el controlador principal estaría directamente

montado en Matlab y la placa arduino sería el esclavo ya que esta haría la

adquisición de datos y tendría los elementos actuadores conectados a esta

misma, la integración de Arduino en Simulink ya es algo que esta echo y se

puede implementar.

Otra manera de poder implementar este tipo de controlador es mediante una

librería especifica de arduino que tiene por nombre eFFL (Embedded Fuzzy

Logic Librarie) esta librería nos permite poder programar en nuestro arduino un

controlador fuzzy funcional con los mismo componentes que tenemos en Matlab

pero mediante código, de esta manera los pasos de fuzzyfication y el proceso

inverso son métodos propios de la librería. De igual manera se procede a crear

un objeto fuzzy en primera instancia como un contenedor de las demás partes,

que son las reglas, funciones de membrecía de entrada y salida y su respectiva

forma y valores, siendo esta librería de gran utilidad si se requiere prescindir de

un computador con Matlab.

Finalmente tenemos otro método que consiste en trasformar un objeto fuzzy

echo en Matlab, mediante una utilidad web donde este se convierte

(http://www.makeproto.com/projects/fuzzy/matlab_arduino_FIST/index.php), en

archivos de código que se pueden usar para programar la placa arduino y

mediante una edición del código se puede adecuar para los fines que se

estimen conveniente.

Para este proyecto se usara la primera alternativa y posteriormente se pensara

la implementación de alguna de las alternativas ya mencionadas para crear un

sistema embebido que no requiera el uso de un computador para funcionar.

Para comenzar la creación de nuestro controlador de lógica difusa utilizaremos

Matlab versión R2013a por ser una versión con la cual ya he tenido la

oportunidad de usar y programar.

Page 44: Sistema de alimentación fotovoltaico con

32

En primera instancia utilizaremos la herramienta fuzzy de Matlab, para ello

basta con escribir tal comando en la consola para que se despliegue la interfaz.

Figura 28 Interfaz gráfica herramienta Fuzzy

A través de esta ventana podremos definir las funciones de membrecía de

entrada(s) y salida(s), en el bloque central se puede apreciar por “untitled” el

nombre de nuestro objeto y “mamdani” se refiere al tipo de metodología para los

procesos de fuzzyfication y de fuzzyfication, si bien hay otras alternativas a

esta, la más ampliamente usada es mamdani por lo cual lo dejaremos tal como

está.

A continuación se agregaran las funciones de membrecía de entrar para lo cual

basta con hacer doble click en input1 pero antes le cambiaremos el nombre a

“entrada-LDR” para hacer alusión de que nuestra entrada será el arreglo de

fotorresistencias que colocaremos en nuestro cabezal.

Page 45: Sistema de alimentación fotovoltaico con

33

Figura 29 Arreglo de LDRs

Con esta forma de colocar las fotorresistencias junto a una separación se

lograra crear sombras en las distintas zonas del arreglo de manera que si el sol

se encuentra muy al este respecto al arreglo entonces la fotorresistencia del

este sufrirá una sombra producto de la separación, para simplificar aún más el

sistema se optó usar un método de comparación para determinar hacia donde

se debe girar el cabezal, esto se verá reflejado en el controlador fuzzy ya que

tendrá 2 entradas que corresponderán a la diferencia algebraica de los valores

que retornen los sensores, de manera que se harán comparaciones de pares,

LDR sur – LDR norte y LDR oeste –LDR este, de esta manera tomando el valor

y el signo de la resta se sabrá hacia donde apuntar los paneles.

Teniendo en consideración la entrara, ahora toca ver la salida, como ya se vio

anteriormente la salida técnicamente es una señal de ancho de pulso modulado

variable PWM los cuales son trasmitidos a los servomotores y estos a su vez en

conjunto muevan el cabezal.

Finalmente se concluye que el controlador de lógica difusa que usaremos

poseerá 2 entradas y 2 salidas, donde cada entrara controlara una salida en

particular. Continuando con la creación de las funciones de trasferencia ahora

se verán reflejadas estas nuevas consideraciones.

Page 46: Sistema de alimentación fotovoltaico con

34

Figura 30 controlador con 2 entradas y 2 salidas

Ya agregando las entradas y salidas y rotulándolas, ya se puede apreciar más

menos como funcionara el sistema, la idea es que cada entrara controle una

salida en particular, siguiendo con la elaboración del controlador ahora

miraremos las funciones de membrecía de las entradas y salidas, cabe destacar

que se pueden asignar valores de referencia para poder visualizar de mejor

manera como se quiere que interactúen las funciones entre sí, ambas entradas

y salidas comparten la misma forma de membrecía, en la entrada al ser la resta

algebraica de los valores de lectura de las fotorresistencias, al ser el arduino

quien lea estos valores, se configurara para un intervalo de 0 a 1023 y tendrá

incorporado el signo para discernir el sentido, además se crearon 3 estados,

izquierda, centrado y derecha que relacionaran la diferencia de valores con la

variable lingüística respectiva a cada estado, definiendo una zona amplia de

centrado para crear una zona de “banda muerta” para tratar de minimizar los

movimientos erráticos que se pueden producir por factores externos.

Page 47: Sistema de alimentación fotovoltaico con

35

Figura 31. Función membresía de entrada

Siguiendo con la explicación interior ahora si miramos las funciones de salía

esta están rotuladas de 0 a 255 que correspondería al rango aceptado como

argumento por la librería servo de arduino para el posicionamiento de este

mismo de manera tal que se pueda apreciar un comportamiento similar a la

entrada donde de la misma manera se crearon 3 estados intermedios

“centrado”, “giro izquierda” y “giro derecha” con lo cual se lograra rotar en la

dirección que corresponda según la diferencia en las entradas. De igual manera

se asignó una zona en la variable central que sea plana con el fin de crear una

“zona de banda muerta” para darle robustez al sistema.

Page 48: Sistema de alimentación fotovoltaico con

36

Figura 32. Función de membrecía de salida

Ya con las funciones de membrecía definidas a nuestra conveniencia ahora

toca el paso de definir el conjunto de reglas que gobernara del sistema, como

ya se explicó anteriormente estas reglas por su forma son bastante fáciles de

crear y el límite para las reglas.

Para esto las reglas que se definieron son un total de 10, las cuales presentan

las combinaciones posibles las cuales se pueden apreciar en su totalidad en la

figura siguiente.

Page 49: Sistema de alimentación fotovoltaico con

37

Figura 33. Set de reglas

Ya una vez completada toda la configuración del sistema se procede a exportar

el objeto a un archivo para su posterior uso en simulink junto a arduino.

Ya una vez listo la exportación es hora de crear el modelo en simulink, para ello

abrimos la herramienta simulink y procedemos a montar nuestro sistema.

Page 50: Sistema de alimentación fotovoltaico con

38

Figura 34 modelo simulink

Este modelo es bastante simple ya que se basa en una comunicación por

puerto serie desde el arduino hacia simulink donde se envían los valores de

entrada que serían la resta de los sensores, luego esta señal se procesa

mediante el controlador fuzzy y la señal resultante se envía de vuelta al

microcontrolador para ajustar los servomotores.

Page 51: Sistema de alimentación fotovoltaico con

39

Explicación del sistema

A continuación se detallara como interactuar los componentes tanto físicos

como lógicos en este proyecto mediante el siguiente diagrama de flujo.

Diagrama de flujo de datos

Figura 35. Diagrama de flujo.

Lectura

LDRs

LDRs

1-2 Pan LDRs

3-4 Tilt

Controlador Fuzzy

Actuador Pan

Inicio

Fin

Actuador tilt

PWM pan PWM tilt

Page 52: Sistema de alimentación fotovoltaico con

40

El diagrama anteriormente mostrado explica el comportamiento del sistema,

donde en el inicio se procede a leer las entradas que en este caso corresponden

a los LDRs mediante una resta algebraica, de esta menera se generan 2 datos

de entrada que son enviados directamente al controlador Fuzzy, donde es este

que a partir de las funciones de membrecía y a la base de reglas configuradas

en su interior, de igual manera que las entradas, entregara 2 datos de salidas que

son enviados hacia los actuadores finales que controlan la orientación del

cabezal donde se encuentran los paneles fotovoltaicos.

Para poder medir la iluminación del cielo se utilizara un arreglo de LDRs o Ligth

Dependent Resistor o simplemente fotorresistencia.

Figura 36. LDR

Este tipo de componentes tiene las siguientes características:

Resistencia con luz: 1KΩ

Resistencia en oscuro: 10 KΩ

Voltaje máximo: 150 Volts

Page 53: Sistema de alimentación fotovoltaico con

41

El arreglo consta de 4 de estos dispositivos en un patrón de cruz y son

conectados como lo muestra la figura 36 donde se utiliza como un divisor de

tensión, para efectos prácticos en el prototipo se colocaron resistencias de 1KΩ

Figura 37. Arreglo LDR y conexionado.

Siendo Sup , Sdown , Swest y Seast las fotorresistencias 1,2,3 y 4 respectivamente

de manera que se puedan agrupar en pares, donde 1 y 2 determinan el giro

vertical y 3 con 4 el giro horizontal, además de poseer una separación entre

ellos para poder generar sombra, esta sombra ayudara con la precisión para

centrar el dispositivo.

Page 54: Sistema de alimentación fotovoltaico con

42

PCB y Conexionado

Figura 38. Esquema PCB

Figura 39. Esquema conexionado

Por consiguiente cuando el controlador detecta una diferencia en la salida por

ejemplo la entrada de los LDRs 1-2 es un valor negativo alto esto quiere decir

que el sensor 2 recibe mayor radiación que el 1, ya que el arreglo como se explicó

con anterioridad se sabe que el sol esta desplazado a la izquierda por lo cual es

necesario mover el cabezal en esa dirección para minimizar la diferencia en la

Page 55: Sistema de alimentación fotovoltaico con

43

entrada ya que ambos sensores estarían en condiciones similares de iluminación,

de manera que la salida dictara un movimiento acorde a la entrada recibida y

cesara cuando la diferencia entre en el rango aceptado por el controlador. Esta

misma lógica se aplica al resto de las situaciones que gobiernan el sistema.

MPPT

Siguiendo con los componentes del prototipo como se mencionó con anterioridad

el que se usara en este prototipo en específico es el circuito integrado LT3652

Power Tracking 2 A Battery Charger for solar panel, este integrado está diseñado

para funcionar directamente como MPPT para recargar baterías, se puede

configurar los voltajes y corrientes de carga para ajustarse a cualquier tipo de

batería, este este ejercicio en particular se usara una placa de Sparkfun Sunny

Buddy el cual está configurado para funcionar con una tensión de estrada mínima

de 6 hasta 20 volt, una tensión de carga de 4 volt para baterías de iones de litio

que serán para esta ocasión baterías de litio 18650 y una corriente de carga de

350 miliAmperes.

Figura 40. LT3652

Otras características de la placa que se utilizara es que posee salidas de

estado, que son de carga y falla, estas salidas están negadas por lo cual

cuando el MPPT este en modo carga esta salida estará en LOW y si no hay

algún tipo de falla la salida estará en HIGH. conexion

Page 56: Sistema de alimentación fotovoltaico con

44

Las entradas del PCB se detallan la siguiente figura.

Figura 41. Entradas Sunny Buddy

Figura 42. Salidas Sunny Buddy

Page 57: Sistema de alimentación fotovoltaico con

45

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[11]. Muhammad Salahuddin Kabir, R. R. (2012). Solar Power

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2012 15th International Conference .

[12]. Nalika N. B. Ulapane, S. G. (2014). Gaussian Process for Learning

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Tracking System with Remote Monitoring. 2015 International Conference

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[17]. Yiwang Wang, J. S. (2012). Design of a Digital Solar Panel

Automatic Tracking Controller for Photovoltaic Generation System . IEEE.

Page 59: Sistema de alimentación fotovoltaico con

47

[18]. Yiwang Wang, J. S. (2012). Design of a Digital Solar Panel

Automatic Tracking Controller for Photovoltaic Generation System. IEEE.

Anexos

Códigos de Prueba

Codigo prueba Pan Tilt

#include <Servo.h>

Servo myservo; // servo 1

Servo myservo2; // servo2

int potpin = 0; // pin al que está conectado un potenciómetro 1

int potpin2 =1; // pin al que está conectado un potenciómetro 2

int val; // variable que almacenara el valor del potenciómetro 1

int val2; // variable que almacenara el valor del potenciómetro 2

void setup()

myservo.attach(9); // ajuste del pin 9 para el servo 1

myservo2.attach(10); // ajuste del pin 10 para el servo 2

Page 60: Sistema de alimentación fotovoltaico con

48

void loop()

val = analogRead(potpin); // se lee el valor del potenciómetro 1 entre 0 a 1023

val2 = analogRead(potpin2); // se lee el valor del potenciómetro 2 entre 0 a 1023

val = map(val, 0, 1023, 0, 180); // se escala el valor entre 0 a 180

val2 = map(val2, 0,1023, 0, 180);

myservo.write(val); // se manda la nueva posición al servo

myservo2.write(val2);

delay(15); // espera para que el servo tenga tiempo de llegar

Page 61: Sistema de alimentación fotovoltaico con

49

Historial revisiones

Fecha/versión Comentario Estado/revisión Nestroll =)

13/04/2016

V001

-Agregado carta Gantt

-Estructura del proyecto

-Marco teorico agregado

-Estado del arte agregado

VA TOMANDO FORMA.

BUEN TRABAJO

01/05/2016

V002

-Correcciones varias(carta Gantt,

datasheet, figuras, referencias, otros)

-Agregado índice figuras

-Agregado datos de PTZ y motor

-Agregado discusión de los papers

-Agregado detalles tipos de paneles

Page 62: Sistema de alimentación fotovoltaico con

50