tesis daniel

Mxico D.F. Junio 2012

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERA Y TECNOLOGAS AVANZADAS

Trabajo Terminal I

Prototipo de dispositivo orientador para el

aprovechamiento de la radiacin solar

Que para obtener el ttulo de

Ingeniero en Mecatrnica

Presentan:

Juan Manuel Carrillo Moreno

Daniel Gasca Garca

Asesores:

M. en I. Diego Alonso Flores Hernndez

Dr. Alberto Luviano Jurez

Mxico D.F. Junio 2012

INSTITUTO POLITCNICO NACIONAL

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA EN

INGENIERA Y TECNOLOGAS AVANZADAS

Trabajo Terminal I

Prototipo de dispositivo orientador para el

aprovechamiento de la radiacin solar

Que para obtener el ttulo de

Ingeniero en Mecatrnica

Presentan

______________________________________ ______________________________________ Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca

Asesor Asesor

______________________________________ ______________________________________ M. en I. Diego Alonso

Flores Hernndez Dr. Alberto Luviano Jurez

Presidente del Jurado Profesor Titular

______________________________________ ______________________________________ Ing. Alejandra Sofa

Herrera Ramrez M. en C. Vctor Daro

Cuervo Pinto

Resumen El siguiente trabajo muestra el diseo y manufactura de un prototipo de dispositivo orientador

solar.

El objetivo del dispositivo es captar la radiacin solar y concentrarla sobre una superficie, con el fin

aprovechar la energa solar como fuente de calor.

Para lograr el objetivo, el dispositivo utilizar un sistema que proporcione informacin sobre la

ubicacin del Sol. Por medio de actuadores y control de posicin, el dispositivo seguir la

trayectoria del Sol a lo largo del da.

Para cubrir los requerimientos de energa elctrica del dispositivo, se utilizarn celdas solares.

stas sern montadas sobre la estructura orientada al Sol, con la finalidad de aumentar la

eficiencia energtica de las celdas solares.

El dispositivo tendr la opcin de operar en forma autnoma o manual.

Palabras clave: Seguimiento solar, dispositivo orientador solar, concentrador solar.

Abstract The following paper shows the design and manufacturing of a solar tracker prototype.

The goal of the device is to capture and concentrating solar radiation onto a surface, to use solar

energy as heat source.

To achieve the goal, the device will use a system to provide information on the location of the Sun.

Using actuators and position control, the device will track the sun along the day.

To achieve the electric power requirements of the device, solar cells will be used. These will be

mounted on the structure facing the Sun, in order to increase the energy efficiency of solar cells.

The device will have the option to operate autonomously or manually.

Keywords: Solar tracking, solar guiding device, solar concentrator.

Prototipo de dispositivo orientador para el aprovechamiento de la radiacin solar UPIITA-IPN

Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca II

Contenido Resumen ............................................................................................................................................... I

Abstract ................................................................................................................................................ I

Simbologa .......................................................................................................................................... VI

Introduccin ........................................................................................................................................ 1

Objetivo general .............................................................................................................................. 2

Objetivos especficos ....................................................................................................................... 2

Trabajo Terminal I ....................................................................................................................... 2

Trabajo Terminal II ...................................................................................................................... 2

Antecedentes .................................................................................................................................. 3

Horno solar de Odeillo ................................................................................................................ 3

Solar Sinter .................................................................................................................................. 5

Planteamiento del problema .......................................................................................................... 7

Captulo 1: Marco Terico ................................................................................................................... 8

1.1 Radiacin solar .......................................................................................................................... 9

1.2 Concentradores solares ........................................................................................................... 10

1.2.1 Espejo curvo ..................................................................................................................... 10

1.2.2 Lente de Fresnel ............................................................................................................... 12

1.3 Posicin solar........................................................................................................................... 14

1.4 Fotorresistencia ....................................................................................................................... 15

1.5 Diseo de ejes de transmisin ................................................................................................ 16

1.6 Perfil estructural de aluminio .................................................................................................. 16

1.7 Sistema mecatrnico ............................................................................................................... 18

1.8 Especificacin del diseo de producto (PDS) .......................................................................... 19

Captulo 2: Desarrollo del sistema .................................................................................................... 20

2.1 Anlisis funcional ..................................................................................................................... 21

2.2 Bsqueda de la posicin solar ................................................................................................. 21

2.2.1 Seleccin del concepto ..................................................................................................... 21

2.2.2 Etapa en lazo abierto ........................................................................................................ 22

2.2.3 Etapa en lazo cerrado ....................................................................................................... 23


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca III

2.2.4 Integracin sinrgica ........................................................................................................ 25

2.3 Concentrador solar .................................................................................................................. 26

2.3.1 Seleccin del tipo de concentrador solar ......................................................................... 26

2.3.2 Clculo de temperatura terica usando una lente de Fresnel ......................................... 26

2.3.3 Caractersticas del lente de Fresnel a utilizar ................................................................... 29

2.4 Dispositivo de orientacin ....................................................................................................... 30

2.4.1 Anlisis de dispositivo ...................................................................................................... 30

2.4.2 Diseo de la transmisin .................................................................................................. 32

2.4.3 Simulacin del dispositivo ................................................................................................ 39

2.4.4 Seleccin de motores ....................................................................................................... 47

2.4.5 Descripcin de componentes del dispositivo ................................................................... 48

2.5 Alimentacin de sistema ......................................................................................................... 51

2.5.1 Seleccin del concepto ..................................................................................................... 51

2.5.2 Seleccin de celdas solares .............................................................................................. 51

2.5.3 Seleccin de controlador de carga y regulador ................................................................ 53

2.5.4 Seleccin de batera ......................................................................................................... 55

2.6 Interfaz de usuario .................................................................................................................. 55

2.7 Integracin del sistema ........................................................................................................... 56

Conclusiones ..................................................................................................................................... 58

Referencias ........................................................................................................................................ 59

Glosario ............................................................................................................................................. 61

Apndice A: Diagrama de Gantt para Trabajo Terminal II Apndice B: Estructura de divisin del trabajo Apndice C: Especificaciones del dispositivo Apndice D: Cotizacin de materiales Apndice E: Planos de manufactura Anexo A: Radiacin solar promedio (1990 - 2004) Anexo B: Funcionamiento del EvoDrive ST-23 Anexo C: Esquemticos del sistema mnimo STM32F103


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca IV

Ilustraciones Ilustracin 1: Ubicacin del horno solar de Odeillo. ........................................................................................... 3

Ilustracin 2: Horno solar de Odeillo. ................................................................................................................. 3

Ilustracin 3: Arreglo de espejos planos orientables (Helistato). ..................................................................... 4

Ilustracin 4: Receptor de calor. ......................................................................................................................... 4

Ilustracin 5: Pieza sinterizada a partir de arena. .............................................................................................. 5

Ilustracin 6: Solar Sinter. .................................................................................................................................. 5

Ilustracin 7: Mecanismos del Solar Sinter. ........................................................................................................ 6

Ilustracin 8: Actuadores del Solar Sinter. .......................................................................................................... 6

Ilustracin 9: La constante solar. ........................................................................................................................ 9

Ilustracin 10: Esquema de un espejo cncavo. ............................................................................................... 10

Ilustracin 11: Reflector parablico construido a partir de espejos planos. ..................................................... 11

Ilustracin 12: Espejo cncavo para demostraciones en Odeillo. ..................................................................... 12

Ilustracin 13: Construccin de una lente de Fresnel. ...................................................................................... 12

Ilustracin 14: Comparacin entre la lente convexa y la lente de Fresnel. ....................................................... 13

Ilustracin 15: Algunas aplicaciones de las lentes de Fresnel. .......................................................................... 13

Ilustracin 16: Diferencia de posicin solar en verano e invierno. ................................................................... 14

Ilustracin 17: ngulo de elevacin y azimutal. ............................................................................................... 14

Ilustracin 18 Grfica de resistencia vs iluminancia del GL5549 .................................................................... 15

Ilustracin 19: Circuito divisor de tensin con fotorresistencias. ...................................................................... 15

Ilustracin 20: Perfiles de aluminio estructural. ............................................................................................... 16

Ilustracin 21: Deflexin del perfil por una fuerza F para esfuerzo esttico. ................................................... 17

Ilustracin 22: Perfil 30x30. .............................................................................................................................. 17

Ilustracin 23: Perfil 40x40. .............................................................................................................................. 17

Ilustracin 24: Elementos clave de un sistema mecatrnico ............................................................................ 18

Ilustracin 25: Diagrama a bloques del dispositivo orientador solar. .............................................................. 21

Ilustracin 26: Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito lgico................... 23

Ilustracin 27: Ubicacin de las fotorresistencias. ........................................................................................... 24

Ilustracin 28: Algoritmo utilizado para buscar la posicin del Sol. ................................................................. 25

Ilustracin 29: Curva de eficiencia. ................................................................................................................... 28

Ilustracin 30: Lente de Fresnel a conseguir. .................................................................................................... 29

Ilustracin 31: Marco de soporte para el lente de Fresnel. .............................................................................. 29

Ilustracin 32: Diagrama del mecanismo de elevacin. ................................................................................... 30

Ilustracin 33: Modelo simplificado del mecanismo de elevacin.................................................................... 30

Ilustracin 34: Eje de mecanismo de elevacin. ............................................................................................... 33

Ilustracin 35: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano horizontal. ............... 34

Ilustracin 36: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector del plano vertical del eje. ....................... 35

Ilustracin 37: Distribucin de fuerzas y reacciones en el eje (plano horizontal). ............................................ 36

Ilustracin 38: Distribucin de fuerzas en el eje (plano vertical). ..................................................................... 38

Ilustracin 39: Modelo CAD del eje. .................................................................................................................. 39

Ilustracin 40: Modelo del SOLID285................................................................................................................ 39

Ilustracin 41: Eje mallado. .............................................................................................................................. 40

Ilustracin 42: Modelo sujeto. .......................................................................................................................... 41

Ilustracin 43: Diagrama con la deflexin del eje. ............................................................................................ 41


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca V

Ilustracin 44: Esfuerzo de Von Mises. ............................................................................................................. 42

Ilustracin 45: Modelo CAD del dispositivo. ..................................................................................................... 44

Ilustracin 46 Modelo mallado. ........................................................................................................................ 45

Ilustracin 47: Deflexiones del dispositivo. ....................................................................................................... 46

Ilustracin 48: Esfuerzos de Von Mises. ............................................................................................................ 47

Ilustracin 49: Transmisin del dispositivo de elevacin. ................................................................................. 48

Ilustracin 50: Dispositivo de orientacin azimutal. ......................................................................................... 49

Ilustracin 51: Prototipo con celdas solares montadas. ................................................................................... 50

Ilustracin 52: Sistema de alimentacin. .......................................................................................................... 51

Ilustracin 53 Caractersticas de la celda solar de 50 W. ................................................................................ 52

Ilustracin 54: Caractersticas de la celda solar Eplus-80 W. .......................................................................... 52

Ilustracin 55: Caractersticas de la celda solar Eplus-50 W. ........................................................................... 53

Ilustracin 56: Controlador de carga. ............................................................................................................... 54

Ilustracin 57: Caractersticas del controlador de carga. ................................................................................. 54

Ilustracin 58: Empaquetado TO-220. .............................................................................................................. 55

Ilustracin 59: Interfaz de usuario. ................................................................................................................... 55

Ilustracin 60: Sistema mnimo para el STM32F103VET. ................................................................................. 56

Ilustracin 61: Diagrama del sistema de control. ............................................................................................. 57

Tablas Tabla 1: Datos de posicin solar obtenidos el dia 23 de mayo 2012. ............................................................... 23

Tabla 2: Factores de carga y choque. ............................................................................................................... 35

Tabla 3: Frecuencias naturales del eje de transmisin. .................................................................................... 40

Tabla 4: Anlisis modal del eje de transmisin ................................................................................................. 43


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca VI

Simbologa Radiacin solar

rea Irradiancia

Constante solar

Clculo temperatura Eficiencia del prototipo

Eficiencia de la lente de Fresnel Eficiencia de Carnot

Temperatura inicial K Temperatura final K Constante de Stefan Boltzman

Calor absorbido J Calor perdido J Calor proveniente del Sol J Amplificacin

Temperatura mxima alcanzable K Clculo transmisin

Centro de masa x del sistema Mm Masa de las celdas solares Kg Masa del marco y la lente kg G Constante de gravedad

Momento de inercia del eje Radio del eje M M Masa del eje Kg

Momento de inercia total con efectos de gravedad

Aceleracin angular

Potencia Hp Velocidad angular Rpm Momento torsor Fuerza tangencial Reaccin horizontal en el punto B. Reaccin horizontal en l punto D. Reaccin vertical en el punto B. Reaccin vertical en el punto D. Momento flector mximo

Constante de choque en flexin

Constante de choque en torsin Dimetro critico del eje In Esfuerzo cortante mximo


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca VII

Coeficiente de elasticidad del acero

Momento de inercia del eje con dimetro critico Deflexin en el eje x Deflexin en el eje y Constante de integracion1

Constante de integracin 2


Juan Manuel Carrillo Moreno Daniel Gasca Garca Pgina 1

En el siguiente capitulo se presentan los

antecedentes del proyecto, el planteamiento del

problema y los objetivos que debe cumplir:

Objetivo general

Objetivos especficos

Antecedentes

Planteamiento del problema

Introduccin



Objetivo general Disear y manufacturar un prototipo de dispositivo de orientacin solar para el aprovechamiento

de la radiacin solar. El objetivo es captar la energa solar y concentrarla sobre un punto para

elevar la temperatura, y mantener el haz de luz enfocado en el punto a lo largo del da.

Objetivos especficos

Trabajo Terminal I

Determinar el rango de temperatura en el rea focal de diferentes concentradores solares.

Determinar la eficiencia energtica de los diversos concentradores solares y la

temperatura obtenida.

Determinar las dimensiones de la superficie que concentrar la radiacin solar

Determinar la mejor forma en cuanto a costo y rendimiento para ubicar la posicin del Sol,

posicionar el dispositivo y lograr un mejor aprovechamiento de la radiacin solar,

haciendo nfasis en el uso mnimo de energa.

Realizar los planos de diseo y manufactura del prototipo.

Trabajo Terminal II

Manufacturar las diversas etapas, circuitera, mecanismos del prototipo.

Ensamblar el prototipo.

Realizar el software necesario para la unidad de control del prototipo.

Realizar puesta a punto del prototipo.



Antecedentes En los ltimos 60 aos, se ha detectado un aumento de las concentraciones de gases invernadero

por causa de la accin del hombre. El uso generalizado de los combustibles fsiles, el

debilitamiento de la capa de ozono y la desaparicin de grandes masas boscosas estn

favoreciendo el aumento de la temperatura en la Tierra, provocando un futuro incierto para

nuestras prximas generaciones.

Por todo ello, nos vemos obligados a apostar por la energa solar, un recurso limpio, inagotable,

con una vida prolongada y que se adapta perfectamente al mbito rural y urbano.

Mxico tiene una ubicacin privilegiada para la explotacin de la energa solar, por lo que es

importante impulsar iniciativas que busquen aprovechar esta energa.

Con el fin de conocer cual es la tendencia actual en el uso de la energa solar como fuente de calor,

se mencionarn dos proyectos afines al desarrollado en este trabajo

Horno solar de Odeillo El horno de Odeillo, es el horno solar ms grande del mundo, esta localizado en Font-Rumeu-Odeillo-Va, localidad de Pirineos Orientales, regin de Languedoc-Rousilln cerca de Puigcerd, Espaa y de Perpian, Francia (ver Ilustracin 1). Sus coordenadas son Latitud 422938Norte, Longitud 2145 Este.

Ilustracin 1: Ubicacin del horno solar de Odeillo.

Ilustracin 2: Horno solar de Odeillo.



Construido en 1970, por su localizacin, este horno cuenta con 300 das de Sol al ao. sta ubicado

a una altura de 1535 msnm. La potencia del horno es una de las ms grandes del mundo con 1

MW, alcanza temperaturas de hasta 3000 C. Utiliza 63 espejos planos de 45 m2 dirigibles con 2

grados de libertad (ver Ilustracin 3) los cuales se orientan segn la posicin del Sol, reflejando los

rayos solares hacia el reflector parablico de 1830 m2 (ver Ilustracin 2) y ste a su vez los refleja

hacia una superficie que captura la energa termina en la torre receptora de calor (ver Ilustracin

4). [1]

Ilustracin 3: Arreglo de espejos planos orientables (Helistato).

Ilustracin 4: Receptor de calor.

Comparativa

En la vista se pudieron ver las siguientes comparaciones respecto al prototipo a realizar:

Los espejos que se posicionan son de 2 grados de libertad.

Las dimensiones son muy grandes en comparacin con el prototipo.

El horno solar de Odeillo utiliza un reflector con espejos curvos.



Aunque este horno use otra tecnologa para la generacin de energa, fue un buen testimonio de

que la energa solar es algo que lleva al menos 40 aos en pases como Francia y lo que se vio,

sirvi como referencia para nuestro prototipo y ver los alcances del mismo en cuanto a

temperatura.

Solar Sinter Este es un cortador solar, el cual utiliza un sistema de visin artificial para orientar la energa

solar, y sinterizar arena para realizar grabados emulando una impresora 3D, la realizacin de esta

actividad esta preponderantemente orientada hacia los desiertos puesto que en ellos abunda la

arena y la energa solar, las primeras pruebas fueron realizadas en el desierto de Marruecos

obteniendo excelentes resultados como el siguiente ejemplo.

Ilustracin 5: Pieza sinterizada a partir de arena.

Este trabajo fue de vital importancia, puesto que tiene caractersticas similares al prototipo, en

primer lugar, se puede ver que utiliza lentes de Fresnel (ver Ilustracin 6).

Ilustracin 6: Solar Sinter.



Como se puede ver, otra similitud importante es que utiliza celdas solares para la recoleccin de

energa suministrndola a si mismo, adems la ubicacin de estas sirve como contrapeso para

buscar un mejor equilibrio. [2]

En cuanto a los mecanismos estos tienen la finalidad de mover al mecanismo en forma azimutal

y elevndolo, esto se puede apreciar mejor en la Ilustracin 7.

Ilustracin 7: Mecanismos del Solar Sinter.

En cuanto a la locomocin del Solar Sinter, ste utiliza motores de CD, adems para la transmisin

de potencia utiliza bandas, esto se puede deber a la baja velocidad desarrollada, esto se puede

ver puede ver en forma ms clara en la Ilustracin 8. [2]

Ilustracin 8: Actuadores del Solar Sinter.



Comparativa

Este es un apartado obligado por el tipo de proyecto:

Utiliza lente de Fresnel como concentrador solar.

El movimiento azimutal lo hace sobre un aro de acero y utilizando una rueda conducida.

Utiliza como sensor una cmara CCD.

Las celdas solares van montadas sobre la estructura.

Utiliza un mecanismo tuerca / tornillo sin fin para mover el eje de elevacin.

Funde arena, as que debe alcanzar entre 1300 a 1500 C.

El dispositivo es desmontable.

Planteamiento del problema Se quiere concentrar la energa del Sol en una superficie con la ayuda de un mecanismo que sea

capaz de orientarse y mejorar la captacin de energa. Para lograrlo se necesita orientar un

concentrador solar de forma que su superficie de captacin siempre sea perpendicular al Sol.

Un problema es que el Sol se mueve a lo largo del tiempo debido al movimiento de rotacin

terrestre y adems a lo largo del ao varia su trayectoria, por lo que el prototipo debe ser capaz

de obtener la posicin del Sol y orientar el concentrador solar.

Por ultimo se planea implementar un sistema de alimentacin por celdas solares para proveer de

energa al prototipo. El sistema ser montado en la estructura del prototipo, con el fin de mejorar

su eficiencia gracias a la orientacin respecto al Sol.



En este capitulo se presentan los conceptos,

teoras e ideas generales que ayudan a entender

de una mejor manera el prototipo y a su

desarrollo:

Radiacin solar.

Tipos de concentradores solares.

Obtencin de la posicin solar.

Diseo de ejes.

Perfil estructural de aluminio

Sistema mecatrnico.

Captulo 1:

Marco Terico



1.1 Radiacin solar La radiacin solar es el conjunto de radiaciones electromagnticas emitidas por el Sol debido a la

serie de reacciones que producen una perdida de masa que se transforma en energa. La radiacin

solar se distribuye del infrarrojo al ultravioleta. No toda la radiacin alcanza la superficie terrestre,

porque las ondas ultravioletas mas cortas, son absorbidas por la capa de ozono y diversos gases de

la atmosfera. La magnitud que mide la radiacin solar que llega a la Tierra es la Irradiancia. Su

unidad es el

.

La constante solar es la cantidad de radiacin solar recibida por una superficie de 1 colocada

en la parte externa de la atmsfera terrestre en un plano perpendicular a los rayos del Sol (ver

Ilustracin 9). Propiamente no es una constante, pero s un parmetro que vara dentro de lmites

estrechos, con un valor promedio de

.

Ilustracin 9: La constante solar.

Por efectos de la rotacin de la tierra, cuando la radiacin solar llega a la atmosfera, se origina una

desviacin que bajo ciertas condiciones produce el fenmeno de difraccin, por lo que una parte

de la radiacin llega a la superficie terrestre de forma difusa. La suma de la radiacin directa y la

radiacin difusa se denomina radiacin global e es inferior a la constante solar. [3, pp. 9-13]

La distribucin de la radiacin solar recibida por la superficie terrestre puede visualizarse en el

"Anexo A, Radiacin solar promedio (1990 - 2004)". Para los propsitos del presente trabajo, se

estable que de acuerdo a diversas referencias consultadas, Mxico recibe aproximadamente

. [4] [5]



1.2 Concentradores solares Un concentrador solar es un dispositivo diseado para captar la energa irradiada por el Sol y

concentrarla en un rea reducida aumentando su intensidad. Existen diversos tipos de

concentradores, sin embargo este trabajo se enfoca a dos clases de dispositivos: lentes de Fresnel

y espejos curvos. A continuacin se mencionar ms sobre estos dispositivos.

1.2.1 Espejo curvo Es un espejo en forma cncava con una superficie reflectante interna. Muchos de estos espejos

tienen superficies que estn formadas de tal forma que son parte de una esfera. Los ms comunes

son espejos de superficies parablicas, estos pueden ser encontrados en telescopios reflectantes

entre otros dispositivos. [6]

En la Ilustracin 10 se observa la forma de un espejo curvo. Donde C es el eje focal, S es la

superficie reflectante, F el punto focal y f la distancia focal.

Ilustracin 10: Esquema de un espejo cncavo.

La ecuacin que gobierna estos lentes son las siguientes:

Donde f es la distancia focal es la distancia al objeto y es la distancia a la imagen.

Cuando se requiere un espejo de superficie considerable, puede construirse a partir de espejos

planos (ver Ilustracin 11).



Ilustracin 11: Reflector parablico construido a partir de espejos planos.

Caractersticas

Dependiendo de la forma del reflector, se requiere 1 o 2 grados de libertad para orientarse al Sol.

Si se utiliza un reflector compuesto por espejos planos, cada espejo se debe alinear en forma parablica.

Para alcanzar temperaturas entre 700C a 800C, se requiere un reflector de al menos . [7]

Para construir y utilizar un reflector parablico de dimensiones considerables (mayores a ), se requieren estructuras y mecanismos complejos debido a la masa de los espejos planos.

Aplicaciones

Algunas aplicaciones las podemos encontrar en cocinas solares, donde se eleva la temperatura de

un recipiente de coccin. En calentadores de agua donde se hace correr el agua a travs de una

red de tuberas sobre la cual se concentra la luz solar. Actualmente se estn haciendo estudios en

la India para desarrollar un crematorio solar mediante un reflector de . [7]



Ilustracin 12: Espejo cncavo para demostraciones en Odeillo.

1.2.2 Lente de Fresnel En 1748, el conde Buffon (escritor y naturalista francs) propuso que las lentes podran bajar de

peso sin alterar su enfoque, aunque fue el francs Agustn-Jean Fresnel quien la diseo, propuso

que si se quita la parte rosa del plano convexo (ver Ilustracin 13) se puede reducir peso

encontrando una serie de lentes que funcionen como un todo.

Ilustracin 13: Construccin de una lente de Fresnel.

Caractersticas

Algunas de sus propiedades son:

Las lentes de Fresnel son vidrios tallados o plsticos fabricados cuya misin es hacer que los rayos de luz que la atraviesen se comporten como en una lente plano-convexa (ver Ilustracin 14).

Los rayos de luz que llegan paralelos al eje ptico se focalizan.



Los rayos de luz que salen del foco atraviesan la lente y salen colimados.

Las lentes de Fresnel tienen en esencia las mismas propiedades que las lentes plano-convexas pero disminuyen su peso y su volumen considerablemente.

Si los dimetros de las lentes son muy grandes es conveniente usar una lente de Fresnel.

Ilustracin 14: Comparacin entre la lente convexa y la lente de Fresnel.

Aplicaciones

Se utiliza en luces de faros, luces de automvil, proyectores de objetos opacos, lentes de aumento

y muchas otras aplicaciones donde se requiera de lentes delgadas, ligeras y de gran aumento. (Ver

Ilustracin 15)

Ilustracin 15: Algunas aplicaciones de las lentes de Fresnel.



1.3 Posicin solar El planeta Tierra tiene una desviacin de 23 de su eje de rotacin respecto al eje vertical, lo que

implica que durante el movimiento de traslacin el Sol forme una curva parecida a una funcional

sinodal en el cielo (ver Ilustracin 16).

Ilustracin 16: Diferencia de posicin solar en verano e invierno.

Para que un concentrador solar trabaje adecuadamente, su superficie debe estar orientada

perpendicularmente respecto a la posicin del Sol y compensar el movimiento del mismo a lo

largo del da.

Para medir la posicin de un astro, se utilizan dos ngulos, los cuales se pueden apreciar en la

Ilustracin 17:

ngulo azimutal: ngulo medido desde el norte geogrfico y en sentido horario.

ngulo de elevacin: Arco vertical medido desde el horizonte hasta el astro.

Ilustracin 17: ngulo de elevacin y azimutal.



1.4 Fotorresistencia La fotorresistencia es un componente fotosensible a la luz, si se le compara con la resistencia fija

donde el valor hmico no varia, la fotorresistencia tiene la particularidad de variar su valor hmico

en funcin de la luz que incide sobre ella, cuanto ms luz recibe ms bajo es su valor hmico y

viceversa (ver Ilustracin 18). [8]

Ilustracin 18 Grfica de resistencia vs iluminancia del GL5549

Una forma de utilizar este sensor es en base a un divisor de tensin (ver Ilustracin 19), la seal

obtenida es proporcional a la luz recibida por las fotorresistencias y puede ser utilizada para para

diversos propsitos.

Ilustracin 19: Circuito divisor de tensin con fotorresistencias.



1.5 Diseo de ejes de transmisin El diseo de la transmisin se realiz mediante el cdigo ASME (Sociedad Americana de

Ingenieros Mecnicos por sus siglas en ingls) el cual consta de los siguientes pasos:

1. Obtener la potencia de entrada y salida del eje de trasmisin.

2. Obtener las fuerzas en cada elemento.

3. Dividir al eje en planos para simplificar el anlisis.

4. Obtener las reacciones en los elementos limitadores de movimiento.

5. Realizar los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector.

6. Calcular el momento flector mximo.

7. Calcular el dimetro crtico.

8. Realizar anlisis de rigidez.

9. Calcular el dimetro crtico.

10. Tomar el dimetro crtico mayor de los 2 obtenidos.

11. Realizar el anlisis modal.

Se recomienda consultar [9] para conocer ms sobre el diseo de ejes mediante el cdigo ASME.

1.6 Perfil estructural de aluminio Para la construccin del dispositivo, despus de evaluar diversos materiales, se opto por utilizar

perfiles de aluminio estructural. Una de sus principales cualidades es la fcil y rpida construccin

de estructuras gracias a que los perfiles poseen canales para filar mediante uniones, a otros

perfiles. Estn constituidos de la aleacin AW 6060, que posee un modulo de elasticidad de

. [10]

Ilustracin 20: Perfiles de aluminio estructural.

En el catalogo del fabricante [10], cuenta con diagramas y ecuaciones para calcular la flexin por

fuerzas en distintos modos de empotramiento. Esto con la finalidad de facilitar la seleccin del

perfil adecuado segn la necesitad.



Ilustracin 21: Deflexin del perfil por una fuerza F para esfuerzo esttico.

El perfil 30x30 es adecuado para aplicaciones que requieran esfuerzos moderados como marcos

de soporte. [10, p. 2.21], en la Ilustracin 22 se muestra su seccin transversal y su momento de

inercia es

Ilustracin 22: Perfil 30x30.

El perfil 40x40 es adecuado para mesas de trabajo pesadas y gabinetes de maquinaria. [10, p.

2.26], en la Ilustracin 23 se muestra su seccin transversal y su momento de inercia es

Ilustracin 23: Perfil 40x40.



1.7 Sistema mecatrnico Un sistema mecatrnico es la integracin sinrgica de una combinacin de diversas disciplinas

como son la mecnica, la electrnica, el control y la computacin, cuya finalidad es ofrecer una

solucin con resultados superiores a la implementacin de dichas disciplinas de forma separada.

Se compone del modelado de sistemas fsicos, el uso de sensores y actuadores, la adquisicin de

datos y el procesamiento de seales en sistemas lgicos. [11, pp. 1.3 - 1.9]

Ilustracin 24: Elementos clave de un sistema mecatrnico



1.8 Especificacin del diseo de producto (PDS) La especificacin del diseo de producto (PDS por sus siglas en ingls) es una descripcin a detalle

de los requerimientos y necesidades de lo que se planea disear y/o producir. En cualquier

proyecto de diseo, la realizacin del PDS es el primer paso esencial. [12]

Como un paso previo a la escritura del PDS, debe llevarse a cabo una buena investigacin y

recopilar informacin suficiente de lo que se planea disear. Un primer borrador de un PDS debe

ser desarrollado antes de realizar cualquier intento de generar soluciones a un problema. Esta es

una disciplina importante ya que, tanto tiempo, esfuerzo y dinero se pueden perder al

proporcionar una solucin para el problema equivocado.

El proceso de diseo es iterativo, y el PDS debe ser considerado como un documento flexible que

ha de desarrollarse y completarse en paralelo con el diseo. [13]

Cuando se estn definiendo las especificaciones que conformarn el producto, se deben conocer

los valores nominales para cada variable de afectacin que intervenga en la optimizacin de la

media de la caracterstica de calidad que se desee [14]

El nmero de especificaciones del producto que deban concretarse depender de lo novedoso que

sea el producto, ya que es imposible cuantificar los requisitos de un producto todava inexistente

que pretende cubrir una necesidad determinada [15]. Algunos elementos que se toman en cuenta

son:

Entorno de funcionamiento

Seguridad

Funcionamiento

Materiales

Ergonoma

Legalidad y Normalizacin

Instalacin y mantenimiento

Vida til

Peso y Tamao

Transporte

Fiabilidad

Calidad

Periodo previsto de lanzamiento al mercado

Costo

Embalaje



En este capitulo se muestran los detalles tcnicos

del desarrollo:

Anlisis funcional

Bsqueda de la posicin solar

Concentrador solar

Dispositivo de orientacin

Alimentacin del sistema

Interfaz de usuario

Integracin del sistema

Captulo 2:

Desarrollo del sistema



2.1 Anlisis funcional A continuacin se muestra en la Ilustracin 25 las reas funcionales que se definieron para el

diseo. Para definirlas, se abstrajo las funciones ms bsicas que el dispositivo debe contener para

cumplir con el objetivo de concentrar la radiacin solar en una superficie a lo largo del da.

Ilustracin 25: Diagrama a bloques del dispositivo orientador solar.

En las siguientes secciones se muestra el diseo de las diversas reas funcionales del dispositivo.

2.2 Bsqueda de la posicin solar

2.2.1 Seleccin del concepto Durante la recopilacin de informacin y la investigacin sobre los mtodos utilizados en la

actualidad para obtener la posicin del Sol, se pudo distinguir dos mtodos principales, usando

lazo cerrado y lazo abierto.

Mtodos en lazo cerrado

Utiliza sensores que detecten la intensidad lumnica, como pueden ser las fotorresistencias, las

celdas solares o utilizando una cmara de video y visin artificial. El principal inconveniente es que

se depende de las condiciones climatolgicas y es susceptible al ruido. Si una nube bloquea al Sol,

el mtodo puede dar una posicin del Sol errnea. Para lidiar con este problema, es necesario

contemplar y caracterizar los casos en los que el sensor puede fallar y por medio de lgica,

detectar cuando no es posible obtener la posicin.



Mtodo en lazo abierto

Utiliza la teora propia de la astronoma de posicin para calcular los ngulos de elevacin y

azimutal tericos en los que se ubica el astro, en nuestro caso el Sol. (En la seccin 1.3 Posicin

solar se muestra ms informacin sobre estos ngulos). Debido a que es independiente de la

intensidad lumnica, es inmune al ruido ambiental debido a nubes. Presenta las desventajas de

requerir mayor poder de cmputo y perifricos que utilizando un mtodo en lazo cerrado. La otra

desventaja es la necesidad de conocer la ubicacin precisa del norte geogrfico (La direccin norte

que entrega una brjula es la del norte magntico, que varia de acuerdo al ao y requiere el

clculo del ngulo de declinacin magntica para compensar la ubicacin del norte geogrfico).

[16]

Solucin planteada

Para obtener lo mejor de ambos mtodos y compensar sus deficiencias, se opt por utilizar un

mtodo hibrido que combine de forma sinrgica una etapa en lazo abierto, utilizando el clculo de

la posicin solar y la etapa en lazo cerrado, utilizando sensores.

Como sensor se utilizara un arreglo de fotorresistencias montado sobre la estructura del

concentrador solar.

2.2.2 Etapa en lazo abierto Para calcular la posicin terica del Sol, se utilizara el trabajo realizado por Kok-Keong Chong y

Chee-Woon Wong en los artculos [17] y [18]. Algunos de los puntos tratados en estos artculos

son:

Comparacin entre los mtodos de lazo abierto y lazo cerrado para ubicar al Sol.

La implementacin de un sistema de seguimiento solar de dos ejes de libertad.

La utilizacin de la posicin terica del Sol para orientar al sistema.

El desarrollo de un mtodo para compensar mediante software los errores de alineacin de la estructura.

Debido a que el desarrollo de los temas tratados en [17] y [18] quedan fuera del alcance de los

objetivos del proyecto, se recomienda al lector consultar dichos artculos para conocer ms acerca

del mtodo.

Para calcular la posicin terica del, se requieren los siguientes datos:

Coordenadas de ubicacin geogrfica (Se definen al montar el dispositivo en sitio)



Hora y fecha local (Se configura al iniciar el sistema y se mantendr actualizada por el sistema de control)

Los 3 ngulos de correccin (Calculados utilizando el mtodo descrito en [18, pp. 7852-7855])

Es importante mencionar que para el clculo de la posicin, se requiere bastante procesamiento,

sin embargo, por las pruebas que se realizaron (ver Tabla 1), puede observarse que cada 90

minutos, el Sol cambia aproximadamente 20 de elevacin y 8 de azimutal. Se esta pensando en

correr algoritmo cada 20 minutos, tiempo suficiente para que acabe cualquier calculo pendiente.

Tabla 1: Datos de posicin solar obtenidos el dia 23 de mayo 2012.

Hora ngulo azimutal ()

Diferencia ngulo azimutal ()

ngulo de elevacin ()

Diferencia ngulo elevacin ()

07:00 67.76 0.00 0.02 0.00

09:00 75.91 -8.15 26.38 -26.36

10:30 80.18 -4.27 47.11 -20.73

12:00 82.75 -2.57 68.09 -20.98

01:30 31.81 50.94 88.53 -20.44

03:00 277.27 -245.46 69.64 18.89

04:30 279.62 -2.35 48.66 20.98

06:00 283.81 -4.19 27.91 20.75

07:30 289.46 -5.65 7.67 20.24

2.2.3 Etapa en lazo cerrado Para la etapa en lazo cerrado, se utilizara un circuito comparador implementado por software, el

cual tomara la lectura analgica de las fotorresistencias (ver Ilustracin 26), la convertir en un

valor digital y comparara el valor de las 4 fotorresistencias (ver Ilustracin 27), orientando el

dispositivo hasta que tengan un valor por debajo de la tolerancia de error.

Ilustracin 26: Circuito utilizado para leer el valor de una fotorresistencia por un circuito lgico.



Ilustracin 27: Ubicacin de las fotorresistencias.



2.2.4 Integracin sinrgica Para lograr la sinergia de ambos mtodos y el sistema en general, se utilizara el algoritmo

mostrado en Ilustracin 28.

Ilustracin 28: Algoritmo utilizado para buscar la posicin del Sol.



2.3 Concentrador solar

2.3.1 Seleccin del tipo de concentrador solar A continuacin se hace una breve comparacin entre los concentradores solares usando lentes de

Fresnel y espejos curvos, basndonos los datos encontrados durante la investigacin previa al

diseo.

Tamao:

En cuanto a esta caracterstica la lente de Fresnel tiene una amplia ventaja puesto que con un

tamao relativamente bajo es capaz de lograr temperaturas grandes si se le compara con un

espejo curvo y por mencionar un ejemplo esta el inmenso arreglo de espejos en Odeillo, Francia.

Masa

Este aspecto esta completamente ligado al anterior ya que una lente de Fresnel esta hecha de

Acrlico ptico con una densidad de 1200

la cual dadas las dimensiones reducidas no

representa un gran aporte de masa, en cambio el horno solar de Odeillo es un edificio de 18 m de

altura.

Temperatura

Esta caracterstica no es tan fcil de apreciar puesto que de alguna forma se pueden obtener

temperaturas iguales con ambos concentradores, sin embargo la lente de Fresnel es ms sencilla

de implementar.

Conclusin

Debido a que para alcanzar temperaturas mayores a 700C se requiere de una superficie de

aproximadamente 3.4 utilizando un reflector curvo (segn [7]) y con una lente de Fresnel

dimensiones menores, se alcanzan temperaturas superiores a 1200C (Pues se logra fundir arena

de slice con el Solar Sinter, [2]), se ha seleccionado la lente de Fresnel como concentrador solar

para el dispositivo.

2.3.2 Clculo de temperatura terica usando una lente de Fresnel Para un sistema termodinmico con estas caractersticas, la mxima eficiencia se puede deducir

tomando en cuenta tanto propiedades de radiacin trmica como el principio de Carnot. De

hecho la radiacin debe ser convertida en calor a travs de un receptor solar (el prototipo en

cuestin), dicho calor se convierte en trabajo mediante la eficiencia de Carnot, por tanto se utiliza

la siguiente expresin:

Donde:



Y

Donde , y son los flujos absorbido y perdido del sistema

respectivamente, adems del flujo solar.

Segn [19], la radiacin que recibe Mxico en la zona del D.F. es de aproximadamente 220

(A)

y si se tiene una lente de Fresnel con una amplificacin de 1600 (C), es decir, una lente con

medidas y un rea de proyeccin de , siendo as:

,

Otro dato interesante a recalcar es que el flujo perdido viene dado por la ecuacin de Stefan-

Boltzmann, es decir:

Donde

es la constante de Stefan-Boltzmann. Entonces, sustituyendo (2.4),

(2.5) y (2.6) en (2.3) se tiene:

Entonces, finalmente si se sustituye (2.7) y (2.2) en (2.1) se tiene:

(

) (

)

Esta funcin tiene un comportamiento como el siguiente:



Ilustracin 29: Curva de eficiencia.

Como se puede ver, la curva tiene un gran rango de alcances segn la temperatura a la que se

quiera llegar, tomando en cuenta (2.8) se puede derivar la expresin de temperatura terica

mxima, esto se debe a que la eficiencia no tiene un crecimiento monoltico, mientras la eficiencia

de Carnot crece con la temperatura, la eficiencia del concentrador decrece hasta llegar a cero

debido a un efecto de saturacin, por lo que aplicando estas condiciones se tiene la siguiente

expresin:

Por lo que en nuestro caso se tiene:

(

)

En caso de que se tuviera una lente de x , y que sta a su vez concentrase energa a una

superficie de x se obtiene la misma temperatura.

Aunque estos datos pueden variar puesto que el flujo que recibe la Tierra es de 1 000

, pero

por efectos de la atmsfera lo que llega a una zona como Mxico es 220

en promedio, lo que

significa que este dato puede ser mayor o menor, pero el valor promedio es el antes calculado.



2.3.3 Caractersticas del lente de Fresnel a utilizar

Ilustracin 30: Lente de Fresnel a conseguir.

Dimensiones: 1000x1000mm

Distancia focal: 880mm

Espesor: 3mm

Distancia entre anillos: 0.3mm

Material: Acrlico ptico

Ilustracin 31: Marco de soporte para el lente de Fresnel.



2.4 Dispositivo de orientacin

2.4.1 Anlisis de dispositivo Para el clculo se usarn las dimensiones del diagrama de la Ilustracin 32.

:

Ilustracin 32: Diagrama del mecanismo de elevacin.

Para simplificar los clculos se supondr la estructura como un elemento rgido, debido a que las

velocidades a las que trabajara el mecanismo son de baja magnitud (ver Apndice C:

Especificaciones del dispositivo), se utilizar el modelo simplificado mostrado en esquema de la

Ilustracin 33.

Ilustracin 33: Modelo simplificado del mecanismo de elevacin.



Siendo as, se supondr una velocidad constante de

o 10 rpm, pero para buscar un

torque capaz de mover el mecanismo, pero antes de esto, se va a obtener el centro de masa del

sistema, puesto que como se puede ver, ste no sta equilibrado.

Este resultado es de gran importancia puesto que se puede modificar el sistema a una sola masa,

cuya posicin est en 6.85 mm a partir de la posicin del eje. Para el clculo de la aceleracin, se

supondr un eje de acero de 25.4 mm de dimetro, una longitud de 230 mm, esto implica el

siguiente momento de inercia.

Donde,

Entones suponiendo el sentido anti horario como direccin positiva.

Sin embargo, debido a la presencia de la masa los dems elementos, el momento de inercia total

se calcula de la siguiente manera.

Implica:

Entonces, el momento a generar para romper el estado de reposo (estado ms crtico) se calcula

de la siguiente forma:

Pero este punto es crucial, puesto que la aceleracin debe tener una muy corta duracin para que

la velocidad de referencia sea alcanzada en el menor tiempo posible, adems, revisando la hoja

de especificaciones de los motores a utilizar, estos tienen la capacidad de moverse a una velocidad

de hasta

, por lo que suponiendo una aceleracin de

, se tiene un momento de:

El cual se puede redondear a para tratar de minimizar el exceso de simplificaciones.



2.4.2 Diseo de la transmisin

Clculo por el mtodo de resistencia.

Para el clculo de un eje con las caractersticas que se desean, se pretende usar un pin de 57 mm de dimetro, los motores a utilizar tienen valor nominal de torque de , sin embargo, segn los clculos previamente realizados solo es necesario el uso de a una velocidad de , lo que implica una potencia de , y usando el cdigo ASME, el torque total transmitido es el siguiente:

Donde es la potencia en , y es la velocidad en rpm, por lo que sustituyendo se tiene:

Cabe mencionar que los clculos se harn en el sistema ingls debido a la norma. Una vez aclarado

esto se obtiene las fuerzas de inters.

Y a su vez la fuerza radial viene dada por:

El caso ms estndar es un ngulo de 20 y , el factor es el factor de friccin, ste

ltimo valor se calcula de la siguiente forma:

Donde,

Velocidad de deslizamiento de la corona, la cual a su vez viene dada por:

Donde:

Diametro de paso de la corona.

Velocidad de giro de la corona.

Implica:

Por tanto:



Lo que implica una friccin de:

Por ultimo la fuerza tangencial es la siguiente:

Con estos valores de fuerzas se utilizara el siguiente diagrama del eje (Ilustracin 34):

Ilustracin 34: Eje de mecanismo de elevacin.

Este eje para su anlisis se divide en 2 planos, plano horizontal y vertical, el primero a analizar

ser el plano horizontal, el cual contiene la fuerza tangencial, aplicando suma de fuerzas se tiene:

Pero debido a que esta ecuacin es insuficiente, se hace suma de momentos en el punto D.

Implica:



Con estos valores de reacciones se obtienen los diagramas de esfuerzo cortante (V) y momento

flector (M) (ver Ilustracin 35):

Ilustracin 35: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector asociados al plano horizontal.

Para el plano vertical se sigue un procedimiento similar, con la diferencia de que se obtienen las

siguientes reacciones:

De donde se obtiene de manera anloga los diagramas de esfuerzo cortante y momento flector

(ver Ilustracin 36):



Ilustracin 36: Diagramas de esfuerzo cortante y momento flector del plano vertical del eje.

A partir de estos diagramas, se obtiene el momento flector mximo, ste para evitar clculos

innecesarios se obtiene en el punto A y tiene el siguiente valor:

Para la siguiente parte del anlisis de utilizara el siguiente cuadro (ver Tabla 2).

Tabla 2: Factores de carga y choque.

Condicin de carga Kf Kt

Carga aplicada gradualmente 1.5 1.0

Carga repentina (choque menor)

1.5 a 2.0 1.0 a 1.5

Carga repentina (choque mayor)

2.0 a 3.0 1.5 a 3.0



Para el propsito de este eje, se utiliza el caso intermedio, debido a que tendr carga, pero sta no

ser un choque mayor, lo que implica:

Otro factor a considerar es el cortante mximo admisible, en el caso de este eje estar hecho de

acero lo que implica lo siguiente:

Por lo que el dimetro critico segn el cdigo ASME queda como sigue:

( )

Clculo por el mtodo de rigidez.

Para este anlisis se utilizar un enfoque distinto (aunque se sigan utilizando los 2 planos

de anlisis), ya que depende de la flexin que sufre el eje debido a sus componentes,

para esto se aplicar la teora de Timoshenko (ver Ilustracin 37).

Ilustracin 37: Distribucin de fuerzas y reacciones en el eje (plano horizontal).

Plano horizontal

Primeramente se enumera el modulo de elasticidad del acero.



Despus se obtiene el momento de inercia, para lo cual se utiliza el dimetro anteriormente

calculado para saber si es el mnimo necesario.

Siendo as, las ecuaciones son las siguientes:

Integrando:

Volviendo a integrar:

Aplicando las condiciones de frontera:

Resolviendo se obtiene:

Implica:

De esta ecuacin se pueden analizar los puntos de inters :

Este resultado es malo, puesto que el cdigo ASME estipula que la deflexin debe ser de un valor

mximo de por lo que se debe cambiar a un dimetro mayor, este nuevo dimetro,

tomando en cuenta los valores que manejan los proveedores, se supondr un dimetro tentativo

de o , siendo as, las nuevas deflexiones son:

Para



Para :

Para el plano vertical, se utiliza la Ilustracin 38:

Ilustracin 38: Distribucin de fuerzas en el eje (plano vertical).

Debido a que la metodologa para la resolucin es igual a la anterior se omitir, a continuacin se

muestran los resultados:

Para

Para :



Por ultimo para asegurar que las deflexiones no sobrepasan el lmite permitido, se deberan

obtener las contribuciones de ambos planos, pero dado el valor de los calculados en el plano

vertical, se consideran despreciables, lo que implica que el dimetro obtenido es el adecuado para

el fin del eje

2.4.3 Simulacin del dispositivo

Simulacin del eje de transmisin

En esta parte se modelo el eje mediante el mtodo de elementos finitos para obtener algunos

anlisis y conclusiones, en previas secciones se obtuvieron las dimensiones del eje y los elementos

a utilizar, con esos datos se genero el siguiente modelo CAD.

Ilustracin 39: Modelo CAD del eje.

Como este modelo es de tipo tridimensional, se debe utilizar un tipo de elemento que cumpla con

estas caractersticas, en nuestro caso se uso el tipo SOLID285, el cual tiene la siguiente geometra:

Ilustracin 40: Modelo del SOLID285.



Como se puede ver tiene una geometra tal, que se puede amoldar en las partes curvas en mejor

medida que un cubo.

Ilustracin 41: Eje mallado.

Anlisis dinmico

Este modelo como cualquiera en elementos finitos, se someti a chequeos para verificar su

credibilidad, para esto se uso el criterio Modal Libre-Libre, con este criterio se encontraron las

primeras 8 frecuencias naturales mostradas en la tabla siguiente:

Tabla 3: Frecuencias naturales del eje de transmisin.

Frecuencia # Valor es

1 0

2 0

3 0

4 0

5 0.19294* 6 0.22915* 7 245.18

8 300.95

Como se puede ver con este resultado, se cumple el objetivo de la simulacin, el cual fue verificar

que cuando el modelo esta libre de cargas se comporta como un solido rgido, es por este motivo

que las primeras 6 frecuencias naturales son muy cercanas a

Anlisis esttico

Este chequeo tiene la finalidad de verificar que el modelo se mueve correctamente y que las

fuerzas de reaccin estn controladas bajo la accin gravitatoria, el modelo se sujeta de un lado

como se muestra a continuacin:



Ilustracin 42: Modelo sujeto.

Una vez sujeto se aplica una carga gravitatoria en el sistema de referencia global en direccin a -Z,

con esto se obtuvo una masa de y una reaccin en direccin al eje Z.

Anlisis de flexin

Con este anlisis se busco verificar que la flexin del eje no supera el valor admisible.

Ilustracin 43: Diagrama con la deflexin del eje.



Con la aplicacin de las fuerzas tericas, se obtuvo un valor de que corresponde

aproximadamente al valor terico obtenido.

En cuanto al esfuerzo en la estructura se obtuvo lo siguiente:

Ilustracin 44: Esfuerzo de Von Mises.

Como se puede ver el esfuerzo es de , lo que significa que tomando en cuenta que el

material utilizado es acero, no sobrepasa el lmite de fluencia y tiene un factor de seguridad de

4.83.

Anlisis modal

Para este anlisis se obtuvieron las primeras 5 frecuencias naturales del sistema para verificar si

no se va a trabajar en algn valor que pueda resultar peligroso, donde se obtuvieron los resultados

mostrados en la Tabla 4.



Tabla 4: Anlisis modal del eje de transmisin

Frecuencia # Imagen Deformacin

(in) Valor en

1

5.44 1169.3

2

6.035 1410.88

3

6.2299 1584.55

4

5,525 2289.81

5

7.60734 2494.56

Como se puede ver, ningn valor es parecido a valor de operacin del eje de



Anlisis de deflexin al dispositivo de elevacin

Este analisis se desarrollo generando el modelo CAD del prototipo mediante la interfaz del

software ANSYS 13.0, debido a que la importancion de un archivo IGES requiere de una extensa

depuracin, en cuanto al modelo se obtuvo el siguiente:

Ilustracin 45: Modelo CAD del dispositivo.

En cuanto al tipo de elemento utilizado para el mallado fue el solid45 que tiene una geometra

tetradrica la cual es capaz de adaptarse a la forma de del dispositivo, el cual carece de curvas.



Ilustracin 46 Modelo mallado.

Por ultimo se introdujo una carga gravitatoria para observar el comportamiento del prototipo, se

supuso una aceleracin de 9.81

para observar las deflexiones y esfuerzos en el dispositivo, en

cuanto a desplazamientos se encontraron los siguientes:



Ilustracin 47: Deflexiones del dispositivo.

Como se puede ver la deflexin mxima es de 1.2 mm, la cual es muy poca si se compara con las

dimensiones del dispositivo de aproximadamente 1.3 m de longitud, por lo que se considera

despreciable. En cuanto a esfuerzos, se obtuvo el esfuerzo de Von Mises para saber si se esta

trabajando en una regin segura, de lo cual se obtuvo la siguiente imagen.



Ilustracin 48: Esfuerzos de Von Mises.

En este caso, el factor de seguridad es el siguiente:

Por lo que se concluye que los esfuerzos no son cercanos a un valor critico como para pensar en

algn reajuste.

2.4.4 Seleccin de motores Segn los clculos obtenidos, tanto el mecanismo de elevacin como el de orientacin azimutal

requieren 4Nm aproximadamente. Se planeta utilizar un controlador de servomotores para

motores a pasos de hasta 19Nm. Consultar Anexo B: Funcionamiento del EvoDrive ST-23, para

mayor informacin sobre este actuador.



2.4.5 Descripcin de componentes del dispositivo

Ilustracin 49: Transmisin del dispositivo de elevacin.

1. Motor EvoDrive ST-23

2. Dispositivo de elevacin

3. Dispositivo de orientacin azimutal

4. Engrane corona

5. Tornillo sin fin

6. Chumaceras



Ilustracin 50: Dispositivo de orientacin azimutal.

1. Dispositivo de orientacin azimutal

2. Eje conducido del dispositivo de elevacin

3. Eje de apoyo del dispositivo de elevacin

4. Base de sujecin al piso

5. Ruedas de soporte (Soportan 1000 N cada una)

6. Piso



Ilustracin 51: Prototipo con celdas solares montadas.

1. Dispositivo de elevacin

2. Marco de soporte para el lente de Fresnel

3. Lente de Fresnel

4. Celdas solares



2.5 Alimentacin de sistema

2.5.1 Seleccin del concepto Esta es una de las partes ms importantes puesto que define que es lo que dar energa al

prototipo, en cuanto a esto se pueden mencionar que se usara un sistema de alimentacin a base

de celdas solares debido a que estas aprovechan al energa solar, en cuanto a la gestin de la

energa que estas generan se piensa utilizar un controlador de carga que alimente a los circuitos y

actuadores cuando stos estn en uso, en caso contrario se pretende que el controlador

almacene energa en una batera para su posterior uso en situaciones donde las condiciones del

Sol no favorezcan una buena recepcin de energa, por ultimo se usa un regulador para evitar

sobrecargas (ver Ilustracin 52).

Ilustracin 52: Sistema de alimentacin.

2.5.2 Seleccin de celdas solares

Como se pudo ver en la seccin anterior, el sistema de alimentacin a utilizar funciona con celdas

solares, las cuales tienen una gran aceptacin dentro de las tecnologas limpias, adems de tener

la capacidad de transformar energa solar en elctrica, para el prototipo se busco tener

proveedores nacionales encontrando uno con propuestas interesantes las cuales se enumeran a

continuacin:

Modulo multicristalino de 50 W.

Modulo multicristalino Eplus-80 W.

Modulo multicristalino Eplus-50 W.



Modulo multicristalino de 50 W Este tiene las siguientes caractersticas:

Ilustracin 53 Caractersticas de la celda solar de 50 W.

Modulo multicristalino Eplus-80 W Este tiene las siguientes caractersticas:

Ilustracin 54: Caractersticas de la celda solar Eplus-80 W.



Modulo multicristalino Eplus-50 W Este tiene las siguientes caractersticas:

Ilustracin 55: Caractersticas de la celda solar Eplus-50 W.

Observando las caractersticas de las 3 celdas solares se opto por la segunda opcin, es decir, la

Eplus-50 porque a diferencia de la primera tiene una mejor eficiencia, y si se compara con la

segunda opcin tiene un menor peso, adems del precio.

2.5.3 Seleccin de controlador de carga y regulador Los controladores o reguladores de carga son muy similares a los reguladores de los coches, controlando tensin y corriente de un panel solar o generador elico entregndolos a un acumulador o batera. Muchos paneles entregan 16 a 20 V que podran llegar a estropear la batera por un efecto de sobrecarga, ya que esta necesita unos 14.5 V para una carga completa, aunque rara vez las celdas solares producen su tensin mxima (ver Ilustracin 56)



Ilustracin 56: Controlador de carga.

En nuestro caso, se va a adquirir un controlador de carga el cual no es diseado porque es

bastante complicado, se escapa de los objetivos del prototipo, otra razn es su precio de 700

pesos el cual no es considerado como un gran gasto y tiene cabida dentro del presupuesto

establecido, adems sus prestaciones son bastante adecuadas. (Ver Ilustracin 57)

Ilustracin 57: Caractersticas del controlador de carga.

En cuanto al regulador, se piensa utilizar un regulador convencional a 5 V de CD puesto que la electrnica digital a utilizar tendr este valor como estndar, en cuanto a su seleccin se va a utilizar un LM8705CV, de empaquetado TO-220 con una capacidad de carga de hasta 1 A (ver Ilustracin 58)



Ilustracin 58: Empaquetado TO-220.

2.5.4 Seleccin de batera Para esta parte se utilizo el mismo proveedor de las celdas solares, de sus catlogos se selecciono

la batera 31H, con las siguientes prestaciones:

12 V, 115 Ah @ 100 hr y una vida til de 3 a 4 aos.

2.6 Interfaz de usuario A continuacin se muestra una propuesta para la interfaz de usuario. Sus caractersticas son las

siguientes:

Utiliza puerto serial para conectarse al sistema.

Puede leerse la posicin actual del orientador.

Puede definir la posicin geogrfica del prototipo.

Puede definir la hora de prototipo.

Muestra el nivel actual de la batera.

Ilustracin 59: Interfaz de usuario.



2.7 Integracin del sistema Los diversos dispositivos del prototipo estarn conectados al sistema de control. El sistema de

control ser implementado en un microcontrolador STM32F103VET.

Ilustracin 60: Sistema mnimo para el STM32F103VET.

Las funciones del sistema de control son las siguientes:

Mantener la hora del sistema, gracias a su modulo de reloj con respaldo de batera.

Coordinar el funcionamiento de los mecanismos de orientacin.

Coordinar los controladores de motores EvoDrive por medio de la interfaz RS232.

Calcular la posicin del Sol.

Leer los valores analgicos de las fotorresistencias y realizar el control en lazo cerrado.

Orientar el concentrador solar usando la informacin de posicin solar.

Monitorear el sistema de alimentacin.

Comunicarse con la computadora para recibir configuraciones y enviar la posicin actual de los actuadores.

Desactivar los dispositivos inactivos para ahorrar y mantener un bajo consumo de energa.

Desactivar el sistema en caso de paro de emergencia.



Ilustracin 61: Diagrama del sistema de control.

En el Anexo C, Esquemticos del sistema mnimo STM32F103 se encuentra el esquemtico del

sistema mnimo a implementar.



Conclusiones

Durante el desarrollo de este prototipo nos encontramos con varios inconvenientes, por ejemplo

desde la seleccin del concentrador, el cual como se pudo ver se escogi la lente de Fresnel por

tener mejores prestaciones y adems maneja un peso mucho menor, en cuanto a otros

inconvenientes, los dispositivos del prototipo tuvieron que ser cambiados una gran cantidad de

ocasiones puesto que fue difcil encontrar una dinmica entre ellos que no sufriera de

interferencias y que se acoplara al objetivo de focalizar energa solar en un punto que no debe de

cambiar, en cuanto a algoritmos y dems, el algoritmo para la bsqueda del Sol fue una solucin

eficiente debido a que contempla los movimientos del Sol tomando en cuenta la trayectoria que

sigue la Tierra alrededor de ste, el control y su implementacin son cosas a las que se esta

plenamente acoplado a usar, lo que implica que una implementacin simple ordenada y sin

contratiempo alguno.

En el caso de las cotizaciones, estas tienen el inconveniente de tener precios en otras divisas, lo

cual resulta conflictivo al momento de hablar de gastos, lo cual esperamos que se mantenga

estable durante los siguientes 6 meses.



Referencias

[1] W. B. Davis, Living with the Sun: a guide for solar home heating, Solar Book, 1976.

[2] M. Kaiser, Solar sinter, 2010. [En lnea]. Available: http://www.markuskayser.com/. [ltimo

acceso: 20 Marzo 2012].

[3] J. J. Garca-Badell, Clculo de la energa solar, IGME, 1983.

[4] W. F. Edwin Campos, Distribucin espacio-temporal de la radiacin solar neta en superficie

sobre el trpico americano del Hemisferio Norte, Top. Meteor. Oceanogr., n 3, pp. 55-61,

1996.

[5] M. V. B. Ignacio Galindo Estrada, Mxico: Atlas de radiacin solar, Universidad Nacional

Autonoma de Mexico, 1991.

[6] E. Hetch, Optics, Addison Wesley, 1987.

[7] W. Scheffler, DEVELOPMENT OF A SOLAR CREMATORIUM, Germany, 2006.

[8] LIDA OPTICAL & ELECTRONIC CO., LTD., CdS Photoconductuve cells - GL5549.

[9] J. L. C. Rodrguez, Elementos de mquinas: Teora y problemas, Universidad de Oviedo, 2004 .

[10] Rexroth Bosch Group, Basic Mechanic Elements V12.1, 2011.

[11] R. H. H. Bishop, Mechatronics: An Introduction, CRC Taylor & Francis, 2006.

[12] A. B. Snchez, "Prototipo Mecatrnico de Sistema CNC porttil para manufactura de PCB's",

Mxico D.F.: UPIITA-IPN, 2011.

[13] K. S. Hurst, Engineering Design Principles, Elsevier, 1999.

[14] P. Figuera, Optimizacin de productos y procesos industriales, Barcelona: Gestin 2000, 2006,

pp. 50-53.

[15] M. G. Meln, Metodologa del diseo industrial, Valencia: Universidad Politcnica de Valencia,

2001, pp. 18-20.

[16] L. Mazzotti, Manual de exploracin, Exploradores peruanos, 2000.



[17] K.-K. Chong, General Formula for On-Axis Sun-Tracikng System, Universiti Tunku Abdul

Rahman, Malaysia.

[18] K.-K. Chong, Integration of an On-Axis General Sun-Tracking Formula in the Algorithm of an

Open-Loop Sun-Tracking System, Sensors, n 9, pp. 7849-7865, 2009.

[19] W. F. Edwin Campos, distribucin espacio-temporal de la radiacin solar neta en superficie

sobre el trpico americano del Hemisferio Norte., Costa Rica, 1996.



Glosario Actuador: Convierte una seal de control en un cambio al sistema fsico. Ejemplo: Motores,

pistones, solenoides, etc.

ADC: Acrnimo ingles de Analog-to-Digital Converter, es un dispositivo electrnico capaz de

convertir una seal analgica en un valor binario.

ASCII: Acrnimo ingls de American Standard Code for Information Interchange Cdigo

Estndar Estadounidense para el Intercambio de Informacin, el ASCII es un cdigo numrico que

representa los caracteres, usando una escala decimal del 0 al 127. Esos nmeros decimales son

convertidos en nmeros binarios para ser posteriormente procesados.

Azimut: En astronoma, el azimut (representado por la letra griega phi ) es el ngulo o longitud

de arco medido sobre el horizonte celeste que forman el punto cardinal Norte y la proyeccin

vertical del astro sobre el horizonte del observador situado en alguna latitud. Se mide en grados

desde el punto cardinal Norte en el sentido de las agujas del reloj, o sea Norte-Este-Sur-Oeste.

Cenit: Es la interseccin de la vertical de un lugar y la esfera celeste. Es el punto ms alto en el

cielo con relacin al observador, que se encuentra justo sobre su cabeza (90). La vertical de un

lugar, o direccin de la gravedad en ese lugar, corta a la esfera celeste en dos puntos. El cenit es el

punto que se encuentra por encima de la cabeza del observador.

Elevacin: En astronoma, la elevacin de un astro (representada por la letra griega theta ) es el

arco de vertical contado desde el horizonte hasta el astro. Su valor absoluto es siempre menor o

igual que 90 y, por convenio, es un valor positivo si el astro es visible (es decir si est sobre el

horizonte) y negativo si no es visible (es decir si est bajo el horizonte).

GND: Ground (GND), del ingles tierra. En electrnica se denomina GND al nodo usado como

retorno comn de las corrientes elctricas. Sirve como referencia de tensin a 0 Volts.

Helistato: Conjunto de espejos que se mueven sobre dos ejes normalmente en montura de

caballo, lo que permite, con los movimientos apropiados, mantener el reflejo de los rayos solares

que inciden sobre l en todo momento en un punto o pequea superficie.

Metros sobre el nivel del mar (msnm): Se denomina nivel del mar al que sirve como referencia

para ubicar la altitud de las localidades y accidentes geogrficos. Cualquier altitud que se quiera

calcular en dicho pas se har en comparacin con respecto a ese nivel predeterminado. Estas

altitudes se denominan ortomtricas.

Radiacin: Fenmeno que consiste en la propagacin de energa en forma de ondas

electromagnticas o partculas subatmicas a travs del vaco o de un medio material.



Reset: Reset, del ingls reponer o reiniciar. Se conoce como reset a la puesta en condiciones

iniciales de un sistema. Este puede ser mecnico, electrnico o de otro tipo. Normalmente se

realiza al conectar el mismo, aunque, habitualmente, existe un mecanismo, normalmente un

pulsador, que sirve para realzar la puesta en condiciones iniciales manualmente.

Sensor: dispositivo capaz de detectar magnitudes fsicas o qumicas y transformarlas en seales

elctricas proporcionales. Pueden ser clasificados en activos y pasivos. Un sensor activo emite una

seal para estimar la propiedad del entorno que se desea medir. Un sensor pasivo no lo requiere.

[11]

Sinergia: Resultado de la accin conjunta de dos o ms causas, pero caracterizado por tener un

efecto superior a la simple suma de dichas causas

tesis daniel

Documents