INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

“CONTROL Y MONITOREO DE UN CONCENTRADOR SOLAR DE DISCO PARABOLICO

REFLECTOR”

T E S I S

Q U E P A R A O B T E N E R E L T I T U L O

D E :

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACION

P R E S E N T A N :

CASTAÑEDA RUFINO ARELI HERNANDEZ MORALES JOSE LUIS

ASESORES: M. EN C. PINO DURÁN MEDINA.

ING. IVÁN HERNÁNDEZ VELÁZQUEZ.

MEXICO, D.F. NOVIEMBRE 2013

i

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS iii

LISTA DE TABLAS v

RESUMEN vi

OBJETIVOS vii

JUSTIFICACION vii

ALCANCE ix

INTTRODUCCION x

CAPITULO I. CONCENTRADOR SOLAR PDR 15

1.1 ENERGIA SOLAR COMO ALTERNATIVA ENERGETICA 15

1.2 TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS 16

1.2.1 Colectores planos 16

1.2.2 Colectores tubulares 18

1.2.3 Colectores de concentración 20

1.2.4 Concentrador cilíndrico 22

1.3 CONCENTRADOR SOLAR DE DISCO PARABOLICO REFLECTOR 23

1.4 CONCENTRADORES SOLARES EN MÉXICO Y EL MUNDO. 24

1.4.1 Diseño y construcción de un sistema de control para la orientación de un concentrador solar

cilindro-parabólico este-oeste. 24

1.4.2 Diseño de un concentrador solar de geometría paraboidal portátil. 25

1.4.3 Diseño de un Concentrador Solar Acoplado a un Motor Stirling Fijo. 26

1.4.4 Otros diseños en el mundo. 27

1.5 CASO ESPECÍFICO DE ESTUDIO. 29

CAPITULO II. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL 31

2.1 RADIACIÓN SOLAR 31

2.1.1 Componentes de la radiación solar 31

2.1.2. Ángulos solares 32

2.1.3 Ecuaciones del movimiento aparente del Sol 35

2.1.4 Tiempo solar 37

2.2 ACCIONES BASICAS DE CONTROL 39

2.2.1 Acción de control de dos Posiciones 40

2.2.2 Acción de control Proporcional 41

2.2.3 Acción de control Integral 42

2.2.4 Acción de control Derivativa 43

2.2.5 Acción de control Proporcional Integral (PI) 43

2.2.6 Acción de control Proporcional-Derivativa (PD) 44

2.2.7 Acción de Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID). 45

2.3 ACCIÒN DE CONTROL PARA EL CASO ESPECÌFICO DE ESTUDIO. 46

2.3.1 Método de sintonización 46

2.3.2 Tarjeta ARDUINO Mega 2560 47

2.3.3 Programación en LabVIEW 49

ii

2.4 ESTRATEGIA DE CONTROL 53

2.4.1 Lazo de control por retroalimentación 54

2.5 MOTOR. 55

2.5.1 Control de velocidad 57

2.5.2 Inversión de giro y freno 58

2.5.3 ARDUINO Motor Shield R3. 58

2.5.5 Programación 60

2.6 ALIMENTACION DEL SISTEMA DE CONTROL. 64

CAPITULO III. DISEÑO DE LA INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA 66

3.1 INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA 66

3.2 ENTORNO DE DESARROLLO LABVIEW 67

3.3 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS 68

3.4 SENSOR DE POSICION 71

3.4.1 Adecuación de la señal 74

3.5 SENSOR DE TEMPERATURA FOCAL 74

3.5.1 Principio de Funcionamiento de un termopar. 74

3.5.2 Termopar tipo K 76

3.5.3 Acondicionamiento de la señal 78

3.6 SENSOR DE TEMPERATURA AMBIENTAL 80

3.6.1 Descripción del sensor de Temperatura Centígrada LM35. 80

3.7 COMUNICACIÓN LABVIEW-ARDUINO. 82

3.8 PROGRAMACION DE LA HMI 83

3.8.1 Descripción de la Interfaz Hombre Maquina 92

CAPITULO IV. INTEGRACION Y PRUEBAS 96

4.1 ESCALAMIENTO PARA SENSORES DE POSICION 96

4.2 SINTONIZACION DEL CONTROLADOR PI 98

4.3 PRUEBA DE POSICIÓN 103

4.3 PRUEBA DE MONITOREO DE TEMPERATURA 106

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 109

REFERENCIAS 111

APENDICES A DIAGRAMAS DE PROGRAMACION EN BLOQUES 118

B PLANOS DE DISEÑO 124

C INTEGRACION GRAFICA DE LA INTERFAZ HOMBRE MAQUINA 127

iii

LISTA DE FIGURAS

Figura 1.1. Radiación solar diaria promedio anual en la República Mexicana. 16

Figura 1.2. Partes principales de un colector solar de placa plana. 17

Figura 1.3. Colector Solar de Aire. 18

Figura 1.4. Colector de tubo de vacío. 19

Figura 1.5. Colector de tubo de calor. 19

Figura 1.6. Colector Cónico. 20

Figura 1.7. Partes de un colector Cilíndrico. 23

Figura 1.8. Colector solar de disco parabólico reflector. 24

Figura 1.9. Colector solar cilíndrico. 25

Figura 1.10. Colector de disco parabólico reflector. 26

Figura 1.11. Concentrador solar de foco fijo acoplado a un motor Stirling. 27

Figura 1.12 Colector solar de disco parabólico reflector ubicado en 29

LABINTHAP ESIME Zacatenco. 29

Figura 2.1. Componentes de la radiación solar. 32

Figura 2.2. Paralelos y meridianos. 33

Figura 2.3. Ángulos para plano inclinado y posicionamiento solar. 35

Figura 2.4. Diagrama a bloques de un control PID usado para el control de posición. 45

Figura 2.5. Tarjeta ARDUINO Mega 2560. 48

Figura 2.6. Programación de la acción de control PI. 49

Figura 2.7. Programación del cálculo para el Set Point. 52

Figura 2.9. Diagrama de bloques del sistema de control de lazo abierto. 53

Figura 2.10. Diagrama de bloques del sistema de control en lazo cerrado 55

Figura 2.11. Motor sinfín corona, con acoplamiento mecánico. 56

Figura 2.12. Diagrama de un puente H, mediante el uso de interruptores. 58

Figura 2.13. Diagrama físico de la Tarjeta ARDUINO Motor Shield R3. 59

Figura 2.14. Inicialización de la tarjeta Arduino Mega 2560 61

Figura 2.15. Utilización de comparadores para el modo automático. 62

Figura 2.16. Utilización del Bloque “in Range”. 62

Figura 2.17. Programación para el control de velocidad y sentido de giro del Motor de Acimut. 63

Figura 2.18. Batería de alimentación de 12 volts. 64

Figura 2.19. Diagrama de conexión del regulador de voltaje LM7805. 65

Figura 2.20. Alimentación de las tarjetas de control y adquisición mediante un puerto USB. 65

Figura 3.1. Proceso de adquisición de datos. 68

Figura 3.2. Conexión de las señales analógicas a la tarjeta ARDUINO. 70

Figura 3.3. Potenciómetro multivuelta de precisión. 72

Figura 3.4. Acoplamiento del potenciómetro al eje de elevación. 73

Figura 3.5. Acoplamiento del potenciómetro al eje de acimut. 73

Figura 3.6. Efecto Seebeck en un termopar. 75

Figura 3.7. Efecto Peltier. 76

Figura 3.8. Termopar con referencia a 0ºC. 76

Figura 3.9. Termopar tipo K. 77

Figura 3.10. Sujeción del termopar al elemento absorbedor. 77

Figura 3.11. Diagrama de conexión del circuito integrado AD595. 78

Figura 3.12. Circuito Integrado LM35. 80

iv

Figura 3.13. Configuración básica del sensor de temperatura y numeración de pines del circuito

integrado 81

Figura 3.14. Comunicación entre LabVIEW y Arduino. 82

Figura 3.15. Inicialización de la tarjeta Arduino Mega 2560. 88

Figura 3.16. Programación para registro de lecturas de variables. 89

Figura 3.17. Lectura del nivel de batería. 89

Figura 3.18. Lectura del regulador de voltaje. 90

Figura 3.19. Indicación de Hora y Fecha. 90

Figura 3.20. Control de motores. 91

Figura 3.21. Subvi`s Control y Set Point. 92

Figura 3.22. Integración de los elementos que conforman la HMI. 95

Figura 4.1. Medición grados-voltaje en cada eje de movimiento. 97

Figura 4.2. Diagrama de bloques del Mapeo en LabVIEW. 98

Figura 4.3. Respuesta esperada del lazo de control para el motor de acimut. 98

Figura 4.4. Respuesta esperada del lazo de control para el motor de elevación. 100

Figura 4.5. Medición de temperatura focal y ambiental mediante instrumentos digitales. 106

Figura 4.6. Medición obtenida de la HMI para temperatura focal y ambiental. 107

v

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1. Proyectos alrededor del mundo a partir del año 2010. 27

Tabla 2.1. Días promedios de los meses y valores de n para cada mes. 39

Tabla 2.2. Variaciones en estado estacionario. 46

Tabla 2.3. Especificaciones de la Tarjeta ARDUINO Mega 2580 [17]. 48

La Tabla 2.4. Variables utilizadas para la programación de la acción de control. 50

Tabla 2.5. Variables utilizadas para la programación del Set Point. 51

Tabla 2.6. Ventajas y desventajas del control de lazo abierto. 54

Tabla 2.7. Ventajas y desventajas del control en lazo cerrado. 55

Tabla 2.8. Especificaciones técnicas del motor sinfín corona. 56

Tabla 2.9. Descripción del Bloque PWM Write Pin de LabVIEW. 57

Tabla 2.10. Diferentes acciones en un puente H. 58

Tabla 2.11. Especificaciones técnicas de la tarjeta ARDUINO Motor Shield [21]. 59

Tabla 2.12. Distribución de los pines para la conexión de dos motores. 60

Tabla 3.1. Datos analógicos de entrada a la tarjeta de adquisición de datos. 71

Tabla 3.2. Especificaciones técnicas del Potenciómetro multivuelta de precisión. 72

Tabla 3.3. Especificaciones técnicas del circuito integrado LM35. 81

Tabla 3.4. Descripción de Bloques utilizados en la Programación. 84

Tabla 4.1. Relación Grados-Voltaje en cada Potenciómetro 96

Tabla 4.2. Sintonización del controlador PI para el Motor Acimut. 99

Tabla 4.3. Sintonización del controlador PI para el Motor elevación. 100

Tabla 4.4. Resultados finales de la sintonización. 102

Tabla 4.5. Condiciones para la Prueba del día 7 de Noviembre 2013. 103

Tabla 4.6. Prueba de posición del día 7 de Noviembre 2013. 104

Tabla 4.7. Condiciones para la Prueba del día 8 de Noviembre 2013. 104

Tabla 4.8. Prueba de posición del día 08 de Noviembre 2013. 105

Tabla 4.9. Prueba de temperatura en ºC. 107

vi

RESUMEN

Se desarrolla el diseño e implementación del sistema de control y monitoreo para un

concentrador solar de disco parabólico reflector (PDR) mediante una interfaz gráfica

HMI, así como las pruebas de funcionamiento y monitoreo de las variables

temperatura focal, temperatura ambiental y posición de cada uno de sus 2 ejes de

movimiento, elevación y acimut, los cuales permiten al colector mantenerse siempre

orientado hacia el sol.

La estrategia de control en lazo cerrado con una acción de control PI fue suficiente

para controlar un movimiento paulatino de los dos ejes del colector solar, mediante la

programación realizada en Labview, la utilización de una tarjeta Microcontroladora

Arduino y una retroalimentación de posición proveniente de dos sensores acoplados

mediante dispositivos diseñados para la sujeción de estos a los ejes del colector.

El control de motores se diseña como un subprograma utilizado por el programa

principal de control mientras que la etapa de potencia de los motores se lleva a cabo

mediante la utilización de una segunda tarjeta Arduino dedicada al control de motores

y acoplada a la primer tarjeta Microcontroladora que a su vez se utiliza para la

adquisición de datos, monitoreando de esta forma las variables del sistema mediante

una HMI diseñada y programada en el entorno Labview. La alimentación de los

sensores se regula mediante un circuito derivado de la batería de alimentación general

y el acondicionamiento de la señal proveniente del termopar se lleva a cabo mediante

un circuito integrado de instrumentación.

Al no contar con el modelo del sistema, se recurrió al método de sintonización

heurístico obteniendo una respuesta aproximada pero no exacta del sistema. El

sistema de adquisición de datos implementado es completamente funcional, las

mediciones de temperatura focal, ambiental y voltaje de la batería son desplegados en

tiempo real mediante una HMI que es de fácil acceso para el usuario.

vii

OBJETIVOS

GENERAL

Automatizar de forma completa la operación de un colector solar PDR mediante

el desarrollo de un controlador en lazo cerrado con retroalimentación

por posición, así como el desarrollo de una interfaz gráfica HMI para el monitoreo

en tiempo real de las variables propias del proceso de captación de energía

solar.

PARTICULARES

Desarrollar un controlador de lazo cerrado con retroalimentación por posición,

para mejorar la dinámica del concentrador.

Establecer toda la instrumentación necesaria para la adquisición de datos de

todas las variables que involucra el proceso de obtención de energía solar.

Desarrollar una interfaz gráfica HMI que nos permita monitorear la temperatura

ambiental, temperatura de punto focal, radiación, y posición de los ejes de

elevación y acimut en tiempo real.

Controlar la posición del concentrador solar mediante la interfaz gráfica.

viii

JUSTIFICACIÓN

En los últimos años diversos acontecimientos a nivel mundial, tales como el

calentamiento global, la contaminación, escasez de recursos no renovables, la gran

demanda energética y el crecimiento poblacional, motivan a miles de personas y

empresas a la búsqueda de alternativas energéticas limpias y eficientes, una de ellas

es la energía solar que tal vez sea la energía con mayor potencial para explotar. Sería

irracional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta

fuente de energía gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente

de la dependencia de los combustibles fósiles o de otras energías alternativas poco

seguras o simplemente no renovables.

La energía solar es la fuente de energía permanente y más abundante que se conoce.

Se estima que la energía incidente sobre la Tierra durante 84 min es igual a la

demanda energética mundial durante un año, es decir, alrededor de 900 EJ [1].

Esta energía puede ser aprovechada por el ser humano mediante la captación de la

radiación solar, para ello existen diversas tecnologías en cuanto al diseño de

colectores solares. La energía recogida mediante estos colectores se puede destinar

a satisfacer numerosas necesidades, tales como la obtención de agua caliente con

fines domésticos, procesos de refrigeración, secado de productos agrícolas y plantas

de purificación o desalinización de agua de mar.

Existen diferentes tipos de colectores solares, uno de ellos es el concentrador de disco

parabólico reflector o PDR (Parabolic Dish Reflector) se conforma principalmente por

un disco parabólico cuya superficie se encuentra cubierta por un material reflejante

que dirige los rayos solares hacia una superficie absorbedora, localizada en el eje

focal de la parábola. Estos colectores cuentan con un mecanismo de seguimiento solar

en dos ejes (altitud y acimut) que proporciona la mayor eficiencia. Actualmente se

encuentra instalado un colector PDR en el Laboratorio de Ingeniería Térmica e

ix

Hidráulica Aplicada (LABINTHAP) de la Escuela superior de Ingeniería Mecánica y

Eléctrica Unidad Zacatenco, que aunque cuenta con un controlador, su funcionamiento

es de manera semi-automática.

El desplazamiento que realiza el sol durante las diferentes estaciones aunado a las

condiciones atmosféricas, la latitud y longitud donde se encuentre colocado,

proporcionan la cantidad de energía disponible para su utilización. Dadas todas estas

variables cada vez es más necesario tener una automatización más completa para

mejorar la dinámica del dispositivo y aumentar los beneficios que nos ofrece este tipo

de energía, además de facilitar el uso de estos sistemas mediante la implementación

de una Interfaz Hombre Maquina o HMI (Human-Machine Interface) que permitan al

usuario visualizar y monitorear de manera más sencilla los parámetros que están

involucrados en el concentrador solar.

ALCANCE

Lo que se pretende lograr con éste trabajo es mejorar el sistema automático para el

funcionamiento del colector solar de tipo PDR instalado en el LABINTHAP de la

ESIME Zacatenco obteniendo así una operación más accesible con un entorno gráfico

amigable con el usuario pero sobre todo un monitoreo en tiempo real de los

parámetros del colector necesarios para investigaciones futuras.

x

INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo se desarrolla a lo largo de cuatro capítulos la automatización de

la operación de un colector solar PDR mediante el desarrollo de un controlador en lazo

cerrado con retroalimentación por posición, así como el diseño e implementación de

una interfaz gráfica HMI para el monitoreo en tiempo real de las variables propias del

proceso de captación de energía solar.

En el capítulo I se abordan las características de los diferentes tipos de colectores

solares, específicamente el colector solar de Disco Parabólico Reflector, los proyectos

recientes de diseño y construcción de colectores solares PDR en un panorama

mundial, tipos de control utilizados para estos colectores en México y el prototipo de

colector solar PDR realizado en el LABINTHAP de la ESIME Zacatenco.

En el capítulo II se expone la teoría necesaria para el estudio de la radiación solar, se

determina el movimiento aparente del sol para su programación como Set Point del

sistema, se plantea el estudio de las acciones básicas de control así como la

programación del controlador, estrategia de control y control de motores que integran

el sistema implementado al colector solar PDR realizado en el LABINTHAP.

En el capítulo III se presenta el diseño y programación de la Interfaz Gráfica HMI, el

estudio del funcionamiento de los sensores utilizados, así como la adquisición de

xi

datos y acondicionamiento de señales para el control remoto y monitoreo del colector

solar PDR.

En el capítulo IV se describen las pruebas realizadas de posición y temperatura, se

presentan los resultados obtenidos y se plantea la evaluación de costo del proyecto.

Finalmente se presentan las conclusiones y recomendaciones para futuros trabajos

relacionados con la automatización implementada.

15

CAPITULO I. CONCENTRADOR SOLAR PDR

1.1 ENERGIA SOLAR COMO ALTERNATIVA ENERGETICA

En los últimos años diversos acontecimientos a nivel mundial, tales como el

calentamiento global, la contaminación, escasez de recursos no renovables, la gran

demanda energética y el crecimiento poblacional, motivan a miles de personas y

empresas a la búsqueda de alternativas energéticas limpias y eficientes, una de ellas

es la energía solar que tal vez sea la energía con mayor potencial para explotar. Sería

irracional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta

fuente de energía gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente

de la dependencia del petróleo o de otras energías alternativas poco seguras,

contaminantes o simplemente no renovables como la energía nuclear o la generación

por biomasa, solo por mencionar algunas.

La energía solar es la fuente de energía permanente y más abundante que se conoce,

siendo interceptada por nuestro planeta la cantidad de 1.7 X 1017 watts∙hora cada 60

minutos de Sol, cantidad muy superior a la energía eléctrica que se genera en todo el

mundo a lo largo de un año (7 X 1015 Wh). Esta energía posee un importante

potencial de uso en México, pues el alto nivel de irradiación solar que llega a territorio

nacional, con un promedio anual de 5.3 kwh/m2 por día, abre la posibilidad de su

aprovechamiento tanto para la producción de electricidad como de combustibles

limpios [2]. En la Figura 1.1.podemos observar la radiación solar diaria promedio anual

en la República Mexicana.

16

Figura 1.1. Radiación solar diaria promedio anual en la República Mexicana.

Esta energía puede ser aprovechada por el ser humano mediante la captación de la

radiación solar, para ello existen diversas tecnologías en cuanto al diseño de

colectores solares. La energía recogida mediante estos colectores se puede destinar

a satisfacer numerosas necesidades, por ejemplo la obtención de agua caliente en el

hogar, refrigeración, secado de productos agrícolas y las plantas de purificación o

desalinización de agua de mar.

1.2 TIPOS DE COLECTORES SOLARES TÉRMICOS

Los colectores solares térmicos son dispositivos capaces de captar la radiación solar y

transmitírsela a un fluido, para su posterior aprovechamiento. Los colectores solares

pueden ser divididos en 3 tipos: colectores planos, colectores tubulares y colectores de

concentración [3].

1.2.1 Colectores planos

Los colectores planos funcionan a bajas temperaturas, que oscilan entre los 30 y 60°C,

y se utilizan principalmente para calentar o enfriar agua y aire en los hogares, pero

17

también para algunos otros propósitos. Los colectores planos tienen una eficiencia del

40 al 65% y hasta ahora son los dispositivos solares más desarrollados y utilizados en

el mundo.

Los colectores planos pueden clasificarse de la siguiente manera:

- Colector solar de Placa Plana:

En general un colector de placa plana actúa como un receptor que recoge la energía

procedente del Sol y calienta una placa. La energía almacenada en la placa es

transferida al fluido. Usualmente, estos colectores poseen una cubierta transparente

de vidrio o plástico que aprovecha el efecto invernadero, formado por una serie de

tubos de cobre, los cuales al ser expuestos al sol absorben la radiación solar y se la

transmiten al fluido que atraviesa su interior. Su aplicación es la producción de agua

caliente sanitaria, climatización de piscinas y calefacción.

Figura 1.2. Partes principales de un colector solar de placa plana.

- Colectores de Aire:

Son colectores de tipo plano cuya principal característica es tener como fluido calo-

portador el aire. No tienen una temperatura máxima límite (los procesos convectivos

18

tienen una menor influencia en el aire), pero en contraposición poseen una baja

capacidad calorífica y el proceso de transferencia de calor entre placa y fluido es malo.

Su aplicación principal es la calefacción [3].

Figura 1.3. Colector Solar de Aire.

1.2.2 Colectores tubulares

Los colectores de tipo tubular pueden proporcionar temperaturas más altas, que van

desde los 60 a los 165°C, La eficiencia de estos dispositivos a comparación de un

concentrador plano es notoria dado que su eficiencia real oscila entre un 60 y 70%.

Una ventaja de estos 2 tipos de concentradores es que pueden funcionar con

radiación difusa y directa, dos conceptos que se desarrollan en el capítulo II [4].

Se clasifican en:

- Colectores de Vacío:

Van dotados de una doble cubierta envolvente, herméticamente cerrada, aislada del

interior y del exterior, y en la cual se ha hecho el vacío. Su finalidad es la de reducir las

pérdidas por convección. Sin embargo son más caros, y pierden el efecto del vacío

19

con el paso del tiempo. Su aplicación principal es la producción de agua calienta

sanitaria y climatización de piscinas.

Figura 1.4. Colector de tubo de vacío.

- Tubos de Calor:

Poseen una simetría cilíndrica formada por dos tubos concéntricos; uno exterior de

vidrio y uno interior pintado de negro o con pintura selectiva. El fluido circula por el

tubo interno.

Figura 1.5. Colector de tubo de calor.

20

- Colectores Cónicos o esféricos:

Su principal característica es que constituyen simultáneamente la unidad de captación

y de almacenamiento. Su superficie de captación es cónica o esférica con una cubierta

de vidrio de la misma geometría con la cual se consigue que la superficie iluminada a

lo largo del día, en ausencia de sombra, sea constante. Su instalación es sencilla, pero

presentan problemas de estratificación del agua y la superficie útil de captación es

pequeña. Su aplicación principal es la producción de agua caliente sanitaria [3].

Figura 1.6. Colector Cónico.

1.2.3 Colectores de concentración

Existen infinidad de aplicaciones en donde es necesaria que la energía sea liberada a

muy altas temperaturas, lo cual no se puede lograr con colectores solares planos

debido a las características propias de cada tipo de colector y que la radiación solar es

una energía de baja intensidad. Por ello, para obtener altas temperaturas (mayores a

los 100 °C) se hace necesario incrementar la intensidad de la energía solar por medio

de la disminución del área por donde ocurren las pérdidas de calor e interponiendo un

dispositivo óptico entre la fuente de radiación y la superficie absorbedora. De esta

21

manera se logra obtener en el absorbedor densidades de energía que van desde 1.5

hasta miles de veces la radiación solar que llega al sistema óptico.

Con los colectores de concentración de energía solar se pueden obtener temperaturas

entre 100 y 500 °C si se usan colectores focales rudimentarios, entre 500 y 1500 °C si

el sistema óptico de los colectores tiene un buen acabado y entre 1500 y 3500 °C si el

sistema óptico tiene un acabado perfecto.

Existe una gran variedad de colectores concentradores que se pueden clasificar en

dos categorías básicas: los de enfoque y los fijos. Los concentradores de enfoque

están constituidos fundamentalmente de 3 partes: el concentrador o sistema óptico, el

receptor donde se encuentra el absorbedor y un mecanismo de seguimiento para el

sol con el cual se pueden lograr altas temperaturas en el absorbedor. Los

concentradores fijos no necesitan este mecanismo de seguimiento solar, lo cual

implica que solo pueden obtener temperaturas moderadas.

Existe una gran variedad de concentradores, receptores y tipos de mecanismos para

seguir el sol como a continuación se mencionan.

1. Tipos de concentradores

Los tipos de concentradores se pueden clasificar de acuerdo al efecto del

concentrador ya sea reflector o refractor. El primero utiliza una superficie reflejante

para concentrar la radiación solar, el segundo lo hace mediante superficies apropiadas

que logran la refracción de la luz solar.

También se pueden clasificar respecto a donde se enfoca la luz reflejada o refractada

en el concentrador solar. Los concentradores cilíndricos o lineales enfocan sobre una

línea, mientras que los que son superficies de revolución o circulares enfocan sobre un

punto. Finalmente se clasifican respecto al tipo de sección que presente el

22

concentrador, y estas puede ser: sección parabólica, sección esférica y de sección

plana.

2. Tipos de receptores

El receptor es la parte donde la energía solar se convierte en calor, este incluye el

absorbedor y en ocasiones cubierta y aislante. Los receptores pueden ser cóncavos,

convexos, planos, hemisféricos, cilíndricos, elípticos y concavidades. Cada uno de

estos puede ser lineal o puntual.

3. Tipos de seguidores de sol

En general se habla de mecanismos con uno o dos ejes de movimiento. Los

concentradores cilíndricos normalmente utilizan solo un eje de movimiento e incluso

pueden llegar a operar estando fijos, mientras que los de disco necesitan los dos ejes

de movimiento para poder hacer un buen seguimiento del sol, el eje de acimut y el eje

de elevación.

Los mecanismos de seguimiento solar se clasifican en automáticos y manuales. Los

primeros se utilizan para hacer un seguimiento continuo del sol, mientras que los

segundos se utilizan cuando se tienen que hacer ajustes diarios, semanales o

mensuales del colector concentrador.

1.2.4 Concentrador cilíndrico

El diseño de este tipo de concentradores se diferencia con respecto a los otros ya que

su superficie colectora es la mitad de un cilindro, teniendo como principal aplicación la

producción de vapor. Debido a la concavidad de su geometría, en el foco se coloca un

conductor por donde pasa un fluido. Que se calienta por encima del punto de

ebullición, llegando alrededor de 300°C. Una vez caliente, el fluido pasa a una caldera

donde calienta el agua y la convierte en vapor, dependiendo de la longitud de

exposición, el área de captación solar y la irradiación. La energía contenida en el

23

vapor puede ser utilizada para generar la electricidad si se pasa a través de una

turbina la cual pone en funcionamiento a un generador [5].

Figura 1.7. Partes de un colector Cilíndrico.

1.3 CONCENTRADOR SOLAR DE DISCO PARABOLICO

REFLECTOR

Dentro de los colectores de concentración existe el de Disco Parabólico Reflector

(PDR por sus siglas en ingles). Este tipo de colector se conforma principalmente por

un disco parabólico cuya superficie se encuentra cubierta por un material reflejante

que dirige los rayos solares hacia una superficie absorbedora, localizada en el eje

focal de la parábola. El receptor colocado en el foco, absorbe la radiación solar y la

traspasa en forma de calor a un fluido circulante. La energía calórica presente en el

fluido puede ser convertida a electricidad mediante el uso de un motor-generador

acoplado directamente al receptor, o puede ser transportado mediante tuberías a un

receptor central y servir para diversos propósitos.

24

La estructura de los colectores PDR debe seguir plenamente al sol para reflejar el haz

en el receptor. Para este propósito los mecanismos de seguimiento solar son en dos

ejes (altitud y acimut), por lo cual son los sistemas de colectores más eficientes porque

siempre están enfocados al sol. Las relaciones de concentración por lo general van de

600 a 2000 y pueden alcanzar temperaturas superiores a los 1500 °C. Además el

colector como modulo se puede utilizar de forma independiente o como parte de un

sistema mayor de discos parabólicos. [6]

Figura 1.8. Colector solar de disco parabólico reflector.

1.4 CONCENTRADORES SOLARES EN MÉXICO Y EL MUNDO.

A continuación se presentaran algunos proyectos enfocados en el diseño e

implementación de diferentes tipos de concentradores solares, además se mencionará

el tipo de control que fue utilizado para cada uno de ellos.

1.4.1 Diseño y construcción de un sistema de control para la orientación

de un concentrador solar cilindro-parabólico este-oeste.

Se propone el diseño y la implementación de un sistema para el control de la

orientación de un concentrador solar cilíndrico-parabólico (Figura 1.9). El control de

25

orientación permite enfocar la superficie reflectora perpendicular a los rayos del Sol,

para captar la mayor cantidad de energía y aumentar la captación del concentrador.

El concentrador solar cilíndrico-parabólico es un mecanismo de un grado de libertad

constituido a base de perfiles tubulares de diferentes calibres. El control de

orientación del ángulo de elevación de este sistema mecánico se lleva a cabo con

ayuda de un seguidor solar comercial. El sensor de este instrumento manda la señal al

PLC (S7-200 Siemens), el PLC a su vez manda una señal al mecanismo ejecutor del

movimiento, donde una electroválvula activa al sistema de orientación por

desplazamiento de agua, que hace girar a todo el concentrador el ángulo deseado.

Este mecanismo ejecutor, cuya patente está en trámite, consiste de dos recipientes de

agua de 60 litros con una capacidad de llenado al 50% y un motor en cada uno de

ellos, se bombea agua de un recipiente a otro dependiendo de la necesidad de

orientación [8].

Figura 1.9. Colector solar cilíndrico.

1.4.2 Diseño de un concentrador solar de geometría paraboidal portátil.

Trata del diseño de un concentrador portátil (figura 1.10) cuya orientación con respecto

al sol quedo resuelta gracias a la manija la cual permite alinearlo y obtener la mejor

concentración de energía en cualquier día del año [9].

26

Figura 1.10. Colector de disco parabólico reflector.

1.4.3 Diseño de un Concentrador Solar Acoplado a un Motor Stirling Fijo.

Se desarrolla y aplica un nuevo modelo geométrico de un concentrador solar de foco

fijo (CSFF) en coordenadas cartesianas (figura 1.11), al cual se le incorpora el modelo

térmico de un receptor de cavidad para determinar las dimensiones de diseño del

CSFF, con el propósito de satisfacer la demanda de energía térmica de un motor

Stirling de 3 kW. La validación del modelo propuesto se realiza a partir de resultados

experimentales, utilizando la información reportada sobre el concentrador WGA500 y

receptor del sistema CNRS-PROMES. Los resultados del estudio paramétrico

proporcionan las dimensiones de diseño del CSFF, que de manera semejante al

concentrador de disco parabólico, la mayor concentración se obtiene con un ángulo de

borde de 45°, pero con la diferencia de que el receptor de cavidad se encuentra con

una inclinación 80.7° en posición fija, obteniéndose una eficiencia térmica de dicho

receptor del 88%. El modelo matemático y metodología propuesta pueden ser

utilizados para diseñar CSFF acoplados a receptores de cavidad para aplicaciones

distintas al motor Stirling, solo ajustando los parámetros de diseño y condiciones de

operación según los requerimientos de la nueva aplicación [10].

27

Figura 1.11. Concentrador solar de foco fijo acoplado a un motor Stirling.

1.4.4 Otros diseños en el mundo.

En la tabla 1.1 se puede apreciar los diferentes proyectos alrededor de todo el mundo

que concluyeron, estaban en proceso o que se comenzaron en el año del 2010, los

cuales utilizan como principal fuente energética la radiación solar. Dichos proyectos

utilizan diferentes métodos para captar la radiación solar dependiendo los fines para lo

que vaya a ser utilizada dicha energía [7].

Tabla 1.1. Proyectos alrededor del mundo a partir del año 2010.

NOMBRE Y UBICACIÓN

AÑO

ESTADO TIPO DE

CONCENTRADOR DESCRIPCION

Archimede Sicily, Italia

2010

Operando Canal parabólico

Generación de 5 MW energía eléctrica, por medio de una

turbina impulsada por vapor.

Colorado Integrated Solar

Project Colorado, USA

2010

Operando

Canal parabólico Generación de 2 MW energía eléctrica, por medio de una

turbina impulsada por vapor.

28

Guzmán Córdoba, España

2011

Operando

Canal parabólico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine.

Maricopa Solar Project

Arizona, USA 2011

Operando Disco parabólico

Generación de 1.5 MW energía eléctrica, por medio

de motoresStirling

Beijing Badaling Solar Tower

Beijing, china

2012

Operando Torre de suministro

eléctrico

Generación de 1.5 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine

Morón Sevilla, España

2012

Operando

Canal parabólico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine.

Abhijeet Solar Project

Rajasthan, India

2013

En construcción

Canal parabólico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de una turbina impulsada por vapor.

Agua Prieta II Sonora, México

2013

En

construcción Canal parabólico

Generación de 14 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine.

Airlight Energy AitBaha Plant

Agadir, Morocco

2013

En

construcción Canal parabólico

Generación de 3 MW energía eléctrica, por medio de un

sistema de ciclo rankine orgánico.

Arenales Sevilla, España

2013

En

construcción Canal parabólico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine orgánico.

Caceres Caceres, España

2013

En

construcción Canal parabólico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine orgánico.

Diwakar Rajasthan, India

2013

En construcción

Canal parabólico

Generación de 100 MW energía eléctrica, por medio

de una turbina impulsada por vapor.

Khi Solar One Northern

Cape,Sudafrica 2013

En

construcción Torre de suministro

eléctrico

Generación de 50 MW energía eléctrica, por medio

de un sistema de ciclo rankine

Tooele Army Depot

Utah, USA 2013

En

construcción Disco parabólico

Generación de 1.5 MW energía eléctrica, por medio

de motoresStirling

29

1.5 CASO ESPECÍFICO DE ESTUDIO.

Para el desarrollo de esta tesis se toma como caso de estudio un colector solar de

disco parabólico reflector, el cual fue realizado en la Sección de Estudios de Posgrado

e Investigación (SEPI) de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

unidad Zacatenco.

El disco parabólico está construido en fibra de vidrio, cubierta por un material

reflejante, colocado sobre una base de metal con 2 ejes de movimiento el acimut y el

de elevación, el punto focal se encuentra a 90 centímetros del centro del disco, esto en

cuanto a la construcción del cuerpo del disco, para el movimiento se cuenta con 2

motores de 12 volts cada uno, ambos con un engrane del tipo sin fin corona acoplado

a una serie de engranes reductores de velocidad, los cuales nos permiten aumentar el

par del motor, cada motor acoplado a un eje de movimiento, la relación que guardan

los motores con respecto al movimiento es la siguiente: por cada 270 revoluciones del

rotor del motor el colector realiza un grado de movimiento en ambos ejes.

Figura 1.12 Colector solar de disco parabólico reflector ubicado en

LABINTHAP ESIME Zacatenco.

30

Para el control del concentrador se cuenta con un control a lazo abierto, ya que no

recibe una retroalimentación de posición, la focalización se realiza manualmente

siendo esta uno de los principales problemas en el control, aumentando el porcentaje

del error con este tipo de focalización. Antes de focalizar el colector, al controlador se

ingresan los siguientes datos: fecha y hora del día en transcurso, esto es para que el

controlador empiece a realizar sus funciones, el controlador cada 5 minutos realiza el

reajuste de la posición del colector, estos ajustes son calculados por el controlador,

con los datos ya antes introducidos, debido a que dentro de la programación se

introdujeron las ecuaciones que nos permiten conocer la posición del sol con

únicamente conociendo la hora y la fecha del día, para el control de los motores se

tiene una tarjeta de control de motores que cuenta con un puente H capaz de soportar

una corriente de hasta 20 amperes.

La energía que nos permite realizar todos estos movimientos esta otorgada por una

batería de litio de 12 volts, de aproximadamente 48 horas activas de duración, con el

colector operando un promedio de 10 horas por día, siendo un ahorro de energía muy

significativo, puesto que el consumo de energía para el control del colector es mínima.

Para las mediciones en campo cuenta con un Termopar acoplado al punto focal, esto

con el fin de medir la temperatura a la cual se está llegando en el foco, para conocer la

radiación que se está captando en ese momento se cuenta con un piranómetro el cual

nos permite conocer el valor de la radiación máxima que el colector podría captar,

cabe señalar que este último instrumento no se encuentra acoplado al colector y por lo

tanto es necesario que esta medición la realice el operador.

31

CAPITULO II. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL

2.1 RADIACIÓN SOLAR

2.1.1 Componentes de la radiación solar

Un factor indispensable para el correcto funcionamiento de un concentrador es la

radiación solar, la cual sufre ciertas transformaciones al incidir sobre la superficie de la

tierra. La radiación solar se encuentra dividida en tres componentes diferentes: la

radiación directa, la radiación dispersa o difusa y la radicación reflejada o albedo.

Se conoce como radiación directa la que se recibe directamente del sol, sin sufrir

ninguna dispersión atmosférica.

La radiación difusa es la que se recibe del sol después de ser desviada por la

dispersión atmosférica. Esta radiación es la que se recibe a través de las nubes, así

como la que proviene del cielo azul, de no haber radiación difusa, el cielo se vería

negro aun de día, como sucede en la luna.

Se llama albedo a la fracción reflejada por la superficie de la tierra o cualquier otra

superficie.

La radiación total que incide sobre una superficie corresponde a la suma de las tres

componentes de la radiación antes mencionadas, como se muestra en la Figura 2.1.

32

Figura 2.1. Componentes de la radiación solar.

2.1.2. Ángulos solares

El aparente movimiento solar a lo largo del día y del año, respecto a un punto de

observación sobre la superficie terrestre, puede estimarse a través de la determinación

de ciertos ángulos que se forman en relación a la posición del observador y a la

posición del Sol, dependiendo de estos ángulos se podrá determinar la dirección de la

radiación solar. [11]

Latitudɸ: La tierra se divide en paralelos de latitud como se observa en la figura 2.2.

En el hemisferio norte se considerara la latitud positiva y varía entre 0°y 90°, en el

hemisferio sur se considera negativa y varía entre 0°y -90°. El paralelo de 0°se le

llama ecuador terrestre.

Longitud: La tierra también se divide en meridianos de longitud como se observa en

la Figura 2.2. Se usa como meridiano 0° el que pasa por Greenwich, Inglaterra. Hacia

el este y el oeste los meridianos aumentan de 0°a 180°.

33

Figura 2.2. Paralelos y meridianos.

Declinación solar : Es la posición angular del Sol, al medio día solar, respecto del

plano del ecuador, positivo hacia el norte. La declinación solar es cero el día que

comienza la primavera y el día que comienza el otoño (equinoccios). La declinación es

máxima en el solsticio de verano y mínima en el solsticio de invierno. Los valores que

la declinación solar toma a lo largo del año varían desde -23.45°≤ ≤23.45°. Puede

calcularse mediante la ecuación [12]:

(

) (2.1)

Angulo de hora solar ω: Es el desplazamiento angular Este u Oeste del sol con

respecto al meridiano local debido a la rotación de la tierra en su eje a 15° por hora. Se

toma como referencia ω= 0 en el mediodía. En la mañana este ángulo es negativo y

en la tarde, positivo.

Inclinación de la superficie β: Es el ángulo entre la superficie de interés y el plano

horizontal. 0°≤β≤180°.

34

Angulo de acimut del Sol s: Es el ángulo formado por la proyección en el plano

horizontal del rayo solar. Este ángulo tiene valor cero cuando la proyección apunta al

norte, valor positivo cuando apunta hacia el oeste y valor negativo cuando apunta al

este. -180°≤ s≤ 180°.Este ángulo puede ser calculado como:

(2.2)

Angulo de acimut de la superficie : Es el ángulo de desviación de la proyección en

el plano horizontal de la normal a la superficie con respecto al meridiano local. Este

ángulo tiene valor cero cuando la proyección apunta al norte, valor positivo cuando

apunta hacia el oeste y valor negativo cuando apunta al este. -180° ≤ ɤ ≤ 180°.

Angulo de incidencia θ: Es el ángulo entre el haz de radiación directa en una

superficie y la normal a esa superficie.

Angulo cenit θz: Es el ángulo entre la vertical y la línea hacia el sol, es decir el ángulo

de incidencia respecto a un plano horizontal.

Angulo de altitud solar α: Es el ángulo entre la horizontal y la línea del sol, es decir el

complemento del ángulo cenit.

Los ángulos de inclinación β, cenit θz, acimut de la superficie , acimut solar s, se

pueden observar en la Figura 2.3.

35

Figura 2.3. Ángulos para plano inclinado y posicionamiento solar.

2.1.3 Ecuaciones del movimiento aparente del Sol

La siguiente ecuación relaciona el ángulo de incidencia θ de la radiación directa sobre

una superficie con otros ángulos [13]:

(2.3)

En la mayoría de las aplicaciones de esta ecuación, la única variable es el ángulo

horario ω. Todo lo demás suele ser constante en una fecha y lugar determinados.

Debido a esto, la ecuación tiene un gran número de constantes que al aplicarla,

simplifican mucho la expresión.

36

Para una superficie horizontal lo cual implica que , mientras que

; bajo estas condiciones desaparecen el segundo, cuarto y quinto términos

de la ecuación 2.3, con lo que se obtiene:

(2.4)

Como son constantes en una fecha y lugar determinados, la expresión puede

expresarse de una forma más simplificada:

(2.5)

Donde . Esta ecuación puede usarse para calcular la

irradiancia en función del tiempo a lo largo de un día sobre un plano horizontal,

también puede usarse para calcular la salida y puesta del sol, considerando lo

siguiente:

Al salir el sol, su ángulo zenit es de 90°, esto es, se encuentra a 90° de la vertical, por

lo cual, , la ecuación queda:

(2.6)

Donde es el ángulo horario a la salida y puesta del Sol (la ecuación tiene dos

soluciones iguales en valor absoluto, pero con diferente signo), por lo tanto

despejando se tiene:

(

) ( ) (2.7)

37

Estas ecuaciones son válidas solo en forma aproximada, el resultado es en términos

del ángulo horario y referido al medio día solar, el cual para convertirlo a hora local es

necesario hacer ciertas correcciones.

Se pueden tener otras consideraciones para el , como lo es, cuando el plano

sobre el cual incide la radiación, puede moverse, tal es el caso de los colectores

concentradores, con seguimiento solar.

Para un plano que gira alrededor de un eje horizontal en la dirección este- oeste con

ajuste continuo para minimizar el ángulo de incidencia, tenemos:

( ) (2.8)

Para un plano que gira alrededor de un eje norte- sur, paralelo al eje de la tierra, con

una inclinación respecto a la horizontal igual a la latitud geográfica y con ajuste

continuo para minimizar el ángulo de incidencia:

(2.9)

Para un plano que se orienta todo el tiempo a la dirección del Sol:

(2.10)

2.1.4 Tiempo solar

En la mayoría de los cálculos se requiere la hora solar, mientras que los relojes indican

la hora local. El tiempo solar u hora solar, es el tiempo basado en el aparente

movimiento angular del sol y no coincide con el huso horario local.

38

Para la conversión de tiempo local a tiempo solar, son necesarias dos correcciones,

que a continuación se describen:

Constante de corrección: se utiliza para la diferencia en longitudes entre el meridiano

del observador y el meridiano tomado para el uso horario o longitud estándar, teniendo

en cuenta que el sol tarda 4 minutos en recorrer 1° de longitud.

Ecuación de tiempo: Considera las perturbaciones en la tasa de rotación de la Tierra

que afectan el tiempo en que el Sol cruza el meridiano del observador, es decir

considerando factores asociados con la órbita terrestre alrededor del Sol, la velocidad

orbital de la tierra varia a lo largo del año, por esa razón el tiempo solar aparente varia

ligeramente con el tiempo horario. El valor de E como una función del día [14], puede

obtenerse aproximadamente por medio de la ecuación:

(

)

(2.11)

Donde B, se obtiene con la ecuación:

( )

(2.12)

La diferencia en minutos entre el tiempo solar y el tiempo horario es:

( – ) (2.13)

Dónde:

Lst= Longitud estándar para la zona de tiempo local, es decir el meridiano tomado para

el uso horario.

39

Lloc= Es la longitud local.

Estas longitudes se miden en grados hacia el Oeste, 0°< L < 360°.

El n-ésimo día del año puede obtenerse de la Tabla 2.1 cuyos valores son válidos para

latitudes menores a 66.5°, (232 < 66.5°) [15].

Tabla 2.1. Días promedios de los meses y valores de n para cada mes.

2.2 ACCIONES BASICAS DE CONTROL

Un controlador compara el valor real de la salida de un sistema con la entrada de

referencia (valor deseado), determina el error, y produce una señal de control que

reducirá el error a cero, o a un valor muy pequeño. El procedimiento mediante el cual

el controlador genera la señal de control se llama acción de control.

El controlador detecta la señal de error, que suele estar a un nivel de potencia bajo, y

la amplifica, el actuador es un dispositivo que produce la entrada a la planta, de

acuerdo con la señal de control, de modo que la señal de retroalimentación

corresponda a la señal de entrada de referencia. La salida de un controlador

40

automático alimenta a un actuador o accionador, que bien puede ser un motor o una

válvula neumática, un motor hidráulico o uno eléctrico.

El sensor o elemento de medición es un dispositivo que convierte la variable de salida

en otra variable adecuada, como un desplazamiento, presión o voltaje, que se utiliza

para comparar la salida con la señal de entrada de referencia. Este elemento es el

camino de retroalimentación en el sistema de lazo cerrado.

El punto de ajuste del control debe convertirse en una entrada de referencia con las

mismas unidades que la señal de retroalimentación del sensor o el elemento de

medición. Los controladores industriales analógicos se pueden clasificar de acuerdo a

sus acciones de control, de la siguiente forma:

• Acción de control de dos posiciones, o intermitentes (encendido-apagado).

• Acción de control proporcional.

• Acción de control integral.

• Acción de control proporcional-integral.

• Acción de control proporcional-derivativo.

• Acción de control proporcional-integral-derivativo.

La clase de controlador a usar se decidirá en base a la naturaleza de la planta y las

condiciones de operación, incluyendo consideraciones tales como seguridad, costo,

disponibilidad, confiabilidad, exactitud, peso y tamaño. [16]

2.2.1 Acción de control de dos Posiciones

En un sistema de control de dos posiciones, el actuador tiene sólo dos posiciones fijas,

que en muchos casos son, simplemente conectado y desconectado. El controlador de

dos posiciones, o de encendido o apagado es relativamente simple y económico, y por

41

esta razón se usa ampliamente en sistemas de control, tanto industriales como

domésticos.

Sea u(t) la señal de salida del controlador y e(t) la señal de error. En un controlador de

dos posiciones, la señal u(t)permanece en un valor máximo o mínimo, según sea la

señal de error positiva o negativa, de manera que:

( ) ( ) (2.14)

( ) ( ) (2.15)

Donde U1 y U2 son constantes. Generalmente el valor mínimo de U2 puede ser, cero,

o, - U1. En general los controladores de dos posiciones son dispositivos eléctricos,

donde habitualmente hay una válvula accionada por un solenoide eléctrico.

2.2.2 Acción de control Proporcional

Para un controlador de acción Proporcional, la acción de control es proporcional a la

señal del error. La relación entre la señal de salida del controlador la u(t) y la señal del

error e(t), es:

( ) ( ) (2.16)

O bien, en cantidades transformadas por el método de Laplace,

( )

( ) (2.17)

Donde Kp se considera la ganancia proporcional. En esencia el controlador P es un

amplificador con una ganancia ajustable. En general las características de esta acción

de control son:

- Mejora la dinámica del sistema

- Mejora la precisión del sistema: pero no desaparece el error estacionario

42

- Aumento de la inestabilidad relativa

- Aparición de saturaciones

2.2.3 Acción de control Integral

En un controlador con acción de control integral, el valor de la salida del controlador

u(t) se cambia a una razón proporcional a la señal de error e(t). Es decir;

( )

( ) (2.18)

O bien,

( ) ∫ ( ) (2.19)

En donde Ki es una contante ajustable. La función de transferencia del controlador

integral es:

( )

( )

(2.20)

Si se duplica el valor de e(t), el valor de u(t) varia dos veces más rápido. Para un error

de cero el valor de u(t) permanece estacionario, en ocasiones, la acción de control

integral se denomina control de reajuste (reset).

Este tipo de control tiene como propósito disminuir y eliminar el error en estado

estacionario, provocado por el modo proporcional. El error es integrado, lo cual tiene la

función de promediarlo en un periodo de tiempo determinado; luego es multiplicado

por una constante (constante de integración). Posteriormente, la respuesta integral es

adicionada al modo proporcional, para formar un control PI con el propósito de obtener

una respuesta estable del sistema in error estacionario.

El modo integral presenta un desfasamiento en la respuesta de 90° que sumados a los

180° de retroalimentación (negativa) acercan al sistema a tener un retraso de 270°,

entonces solo será necesario que el tiempo muerto contribuya con 0° de retardo para

43

provocar la oscilación del proceso. La ganancia total del lazo de control debe ser

menos a 1, y así inducir una atenuación en la salida del controlador para conducir el

sistema a la estabilidad del mismo.

2.2.4 Acción de control Derivativa

Es la acción que produce una señal de control proporcional a la velocidad con que la

salida del sistema está cambiando respecto del punto de consigna.

La acción derivativa realiza ese tipo de compensación, que se basa en introducir una

acción de predicción sobre la señal de error. Una forma sencilla de predecir es

extrapolar la curva de error a lo largo de su tangente. El algoritmo de la acción

derivativa es el siguiente:

( ) ( )

(2.21)

El parámetro Kd es el tiempo derivativo y puede interpretarse como un horizonte de

predicción. Al basar la acción de control en la salida predicha, es posible mejorar el

amortiguamiento de un sistema oscilatorio. Donde la función de transferencia del

algoritmo anteriormente mencionado es:

( )

( ) (2.22)

2.2.5 Acción de control Proporcional Integral (PI)

La acción de control de un controlador proporcional-integral (PI) se define mediante,

( ) ( )

∫ ( )

(2.23)

La función de transferencia del controlador es:

( )

( ) (

) (2.24)

44

En donde Kp es la ganancia proporcional y Ti es el tiempo integral, tanto Kp como Ti

son ajustables. El tiempo integral ajusta la acción de control integral, mientras que un

cambio en el valor de Kp afecta las partes integral y proporcional de la acción de

control. El inverso del tiempo integral Ti se denomina velocidad de reajuste. La

velocidad de reajuste es la cantidad de veces por minuto que se duplica la parte

proporcional de la acción de control. La velocidad de reajuste se mide en términos de

las repeticiones por minuto.

En general la acción de control PI:

- Mejora la dinámica del sistema

- Mejora la precisión del sistema: eliminando el error estacionario

- Aumento de la inestabilidad relativa.

2.2.6 Acción de control Proporcional-Derivativa (PD)

La acción de control proporcional derivativa (PD) genera una señal que es el resultado

de la combinación de la acción proporciona y la acción derivativa conjuntamente.

Esta acción es la suma de las acciones básicas mencionadas anteriormente.

( ) ( ) ( )

(2.25)

Su función de transferencia es la siguiente:

( )

( ) ( ) (2.26)

El control proporcional- derivativo:

- Mejora la dinámica del sistema

45

-Mejora la precisión del sistema: permite aumentar el valor de Kp

- Mejora la estabilidad relativa del sistema

2.2.7 Acción de Control Proporcional-Integral-Derivativo (PID).

El controlador PID combina en un único controlador la mejor característica de

estabilidad del controlador PD con la ausencia de error en estado estacionario del

controlador PI.

( ) ( )

∫ ( )

( )

(2.27)

La función de transferencia es:

( )

( ) (

) (2.28)

Figura 2.4. Diagrama a bloques de un control PID usado para el control de posición.

La Tabla 2.2., muestra cómo varían la estabilidad, la velocidad y el error en estado

estacionario cuando se modifican los parámetros del controlador.

46

Tabla 2.2. Variaciones en estado estacionario.

Kp aumenta Ti disminuye Td aumenta

Estabilidad se reduce disminuye aumenta

Velocidad aumenta aumenta aumenta

Error estado estacionario no eliminado eliminado no eliminado

2.3 ACCIÒN DE CONTROL PARA EL CASO ESPECÌFICO DE

ESTUDIO.

Se decidió implementar una acción de control Proporcional-Integral (PI), ya que, el

control proporcional nos brinda una relación lineal continua entre el valor de la variable

controlada (posición), y el elemento final de control (motor). Esto es, el cambio de la

salida del controlador será un múltiplo del porcentaje del cambio en la medición.

Una consecuencia de la aplicación del control proporcional, es la desviación existente

entre la variable y el Set Point (offset), la cual para este caso, será eliminada

adicionando la acción integral que en tanto exista un error, hace que la salida

comience a cambiar periódicamente hasta que el error desaparezca mediante la

repetición de la acción proporcional.

Dado que el movimiento de los ejes es poco frecuente (cada 5 minutos) y a baja

velocidad (41 rpm) con un desplazamiento angular mínimo de un grado, esta acción es

suficiente para cubrir las necesidades de control.

2.3.1 Método de sintonización

Para obtener una respuesta satisfactoria del sistema se deben obtener los valores más

adecuados para los parámetros KP y Ti, los cuales dependerán de las características

de la planta.

47

Debido a que no se cuenta con el modelado del sistema, una sintonización analítica no

se puede llevar a cabo. En este caso, el tipo de sintonización a utilizar es a prueba y

error, y consiste en:

Dar un valor elevado a Ti, de forma que a efectos prácticos, el controlador PI se

comporte como P.

Ajustar Kp hasta obtener la forma de respuesta deseada, sin tener en cuenta el

ess.

Disminuir poco a poco Ti hasta el mínimo posible, de forma que se anule el ess,

pero manteniendo la forma de respuesta deseada. Es decir debe buscarse el

mínimo valor de Ti que no afecte de forma significativa al coeficiente de

amortiguamiento.

2.3.2 Tarjeta ARDUINO Mega 2560

Esta tarjeta está basada en un microcontrolador AT mega 2560, fue seleccionada

debido a las características mencionadas en la Tabla 2.3., además de su

compatibilidad con el software de programación LabVIEW, en el cual se lleva a cabo

tanto la programación del control, como el diseño y desarrollo de la HMI.

La tarjeta, puede ser alimentada mediante USB o conectándola a una fuente externa,

en el presente trabajo la forma de alimentación es mediante USB.

Los 54 pines digitales pueden ser usados como entradas o salidas usando las

funciones para leer o escribir, según sea el caso y 15 de estos proporcionan salidas

PWM, de los cuales 4 serán utilizados para el control de velocidad de los dos motores.

La placa cuenta con 16 entradas analógicas de hasta 5 Volts, pero es posible cambiar

este voltaje mediante el pin AREF. Estas entradas analógicas son designadas en el

Capítulo III para la adquisición de datos de los sensores así como para el monitoreo de

los valores de alimentación del sistema.

48

Tabla 2.3. Especificaciones de la Tarjeta ARDUINO Mega 2580 [17].

Microcontrolador AT mega 2560

Voltaje de operación 5 V

Voltaje de entrada recomendado 7-12 V

Voltaje de entrada máximo 6-20 V

Entradas / Salidas digitales 54 (15 pueden ser PWM)

Entradas analógicas 16

Intensidad máxima por pin E/S 40 mA

Intensidad en pin 3.3V 50 mA

Memoria flash 256 Kb

SRAM 8 Kb

EEPROM 4KB

Velocidad del reloj 16 MHz

La comunicación entre la tarjeta ARDUINO (Ver Figura 2.6) y el software LabVIEW se

logra a partir de la instalación de un conjunto de herramientas (Toolkit) descrito a

detalle en el Capítulo III, y una comunicación a la PC mediante USB. En la Figura 2.5.

se muestra un diagrama físico de la tarjeta.

Figura 2.5. Tarjeta ARDUINO Mega 2560.

49

2.3.3 Programación en LabVIEW

Para el desarrollo de la programación, como se menciona anteriormente, se utiliza el

software LabVIEW el cual nos brinda la posibilidad de realizar la programación de

manera gráfica mediante bloques, uno de ellos llamado “Node” (Ver tabla 3.4) que

permite utilizar el lenguaje C a través del cual se realiza la programación de la acción

de control.

La Figura 2.6., muestra el desarrollo de la programación correspondiente a la acción

de control PI, realizada en lenguaje C, e insertada en un nodo de formula. Para su

mejor comprensión en la Tabla 2.4., se describe cada una de las variables declaradas

en esta programación. El diagrama de programación en bloques se encuentra

disponible en el apéndice A.

Figura 2.6. Programación de la acción de control PI.

50

La Tabla 2.4. Variables utilizadas para la programación de la acción de control.

Kp Ganancia proporcional

Ki Constante de integración

X1,Xa Tiempo inicial

X2,Xb Tiempo final

Error Error calculado

AC Acción de Control

SP Set Point o punto de ajuste

medicion Valor entregado por los sensores de posición

M Pendiente de la función del error

I Integral del error

Y1 Valor de la medición del sensor, usada para calcular la

pendiente de la función de error

Y2 Valor del Set Point, usada para calcular la pendiente de la

función de error

Fa Función de error evaluada en el valor de Xa

Fb Función de error evaluada en el valor de Xb

H Numero de pasos usado en el método numérico

51

El Set Point o punto de ajuste de la acción de control, mencionado en la tabla 2.4,

como “SP”, es calculado mediante las ecuaciones del movimiento aparente del Sol,

descritas en la sección 2.1.3. Las acciones matemáticas necesarias para este cálculo

son realizadas mediante programación en lenguaje C, insertada en un nodo de

formula. Para su mejor comprensión, las variables utilizadas están descritas en la

Tabla 2.5., y la programación se muestra en la Figura 2.7. El diagrama de

programación en bloques se encuentra disponible en el apéndice A.

Tabla 2.5. Variables utilizadas para la programación del Set Point.

Acim Angulo Acimut

DecS Declinación solar

Alt Altitud

Cen Angulo Cenit

inclinacion Inclinación Solar

TS Tiempo solar

w Angulo Horario

Acim Angulo Acimutal negativo

Lst Longitud estándar para la zona de tiempo local

Lloc Longitud Local

E Ecuación de Tiempo

TH Tiempo Horario

mes Mes del Año

n N-esimo dia del año

52

Figura 2.7. Programación del cálculo para el Set Point.

El cálculo del n-esimo día se realiza mediante la programación de casos y un nodo de

fórmula, el lazo de casos funciona leyendo el mes y a partir de este selecciona el caso

al que accederá, en seguida leerá el día del mes y a partir de eso se realizara cálculo

del n-esimo día. Después se tomara como una salida numérica variable que será

llamada “n”. Para estos cálculos se toma como referencia la tabla 2.1.

Figura 2.8. Programación del cálculo de “n”.

53

2.4 ESTRATEGIA DE CONTROL

Actualmente se utiliza un sistema de control de lazo abierto en donde haciendo uso de

las relaciones matemáticas que determinan el movimiento aparente del Sol cualquier

día del año a cualquier hora del día, se genera un algoritmo que permite el

accionamiento de un acelerómetro, que actúa cuando el sistema inicia por primera vez

con el fin de establecer al colector en un punto de referencia y a partir de este realizar

los cálculos de la rotación en elevación y acimut, o bien, cuando el sistema deba

restablecerse después de un paro por falla o mantenimiento. En la Figura 2.9.se

muestra el diagrama de bloques del sistema de control de lazo abierto.

Figura 2.9. Diagrama de bloques del sistema de control de lazo abierto.

En la tabla 2.6 se muestran las principales ventajas y desventajas del sistema de lazo

abierto, el cual nos permite su aplicación en sistemas sencillos que no necesiten un

alto grado de precisión a la salida.

54

Tabla 2.6. Ventajas y desventajas del control de lazo abierto.

Ventajas Desventajas

1. -Simple construcción y fácil mantenimiento.

2. -Menos costoso que un correspondiente

sistema de lazo cerrado.

3. -Conviene cuando las salidas son duras o

difíciles de medir o económicamente no es

viable otro tipo de control.

-Perturbaciones y cambios en la

calibración causan errores, y la salida

puede ser diferente de aquella deseada.

-Para mantener la calidad requerida en

la salida, se hace necesario recalibrar al

inicio.

2.4.1 Lazo de control por retroalimentación

Este sistema de control consta de un controlador, un elemento final de control, un

proceso y un sensor (elemento de medición). Es un lazo cerrado donde la variable de

salida del proceso se mide y retroalimenta al controlador quien determina el error de

dicha medida con su valor de referencia y genera una acción que ejecuta el elemento

de control final para ajustar la variable de control al valor deseado. [18]

En este caso, la variable de salida es la posición que se estará midiendo

constantemente mediante dos potenciómetros de precisión, colocados en cada eje de

movimiento del colector, esta señal generada es retroalimentada al microcontrolador,

el cual mediante la acción de control compara el error con su valor de referencia, el

cual está dado por el algoritmo generado mediante las ecuaciones del movimiento

aparente del Sol, ya vistas en la sección 2.1.3 de este capítulo. Una vez obtenida la

señal de control proveniente del microcontrolador, es alimentada al elemento final de

control, el cual es un motor de tipo sinfín corona, que genera el movimiento necesario

en cada eje; horizontal y vertical, como se muestra en la Figura 2.10.

55

Figura 2.10. Diagrama de bloques del sistema de control en lazo cerrado

En la Tabla 2.7.se muestran las ventajas y desventajas que nos proporciona el control

retroalimentado en lazo cerrado, el cual nos brinda una mayor exactitud y velocidad de

respuesta, mejorando en general el funcionamiento del colector Solar.

Tabla 2.7. Ventajas y desventajas del control en lazo cerrado.

Ventajas Desventajas

4. –Exactitud en la igualación de los valores

reales y requeridos en la variable.

5. –Menos sensible a las perturbaciones.

6. –Se incrementa la velocidad de respuesta

del sistema.

-El sistema es más complejo.

-Aumenta el costo y es más propenso a

descomposturas.

-Con gran posibilidad de inestabilidad.

2.5 MOTOR.

El motor necesario para la rotación axial de los ejes de movimiento del colector debe

proporcionar un gran torque ya que debe ser capaz de mover por lo menos 30

kilogramos para elevación y el doble para acimut, por otra parte debido al movimiento

56

paulatino del Sol a lo largo del d a, no se requiere una gran potencia. Por lo tanto,

dado que se requiere un gran torque a una baja velocidad y una transmisión de

movimiento unidireccional del motor hacia la masa del colector, se considera un motor

del tipo sinf n-corona automotriz o wipermotor cuyas especificaciones se muestran en

la tabla 2.8.

Tabla 2.8. Especificaciones técnicas del motor sinfín corona.

Característica Especificación

Voltaje 12 V

Corriente 0.9 A

Velocidad de salida 41 rpm

Potencia 10.8 w

Torque 2.518 N-m

El mecanismo sinf n-corona, como el que se muestra en la figura 2.11, consiste en un

tornillo sinf n como flecha del motor al cual se le acopla un engrane o corona,

resultando as una reducción mecánica que multiplica el torque del motor alrededor de

50 veces mientras que reduce la velocidad de salida en 50 veces.

Figura 2.11. Motor sinfín corona, con acoplamiento mecánico.

57

2.5.1 Control de velocidad

Para controlar la velocidad de un motor de corriente directa se necesita variar el voltaje

de la fuente de alimentación. Sin embargo si se usa un motor de 12 Volts y se conecta

la alimentación, el motor empezará a aumentar su velocidad; debido a que los motores

no responden inmediatamente entonces es necesario un pequeño intervalo de tiempo

para alcanzar su velocidad máxima. Si se apaga la alimentación en algún momento

antes que el motor alcance su máxima velocidad, se notará una disminución de ésta y

si se enciende la alimentación y se apaga rápidamente, el motor tomará una velocidad

comprendida entre velocidad cero y velocidad máxima. Esto es exactamente lo que

hace un controlador PWM (Pulse Width Modulation) o modulación por ancho de

pulsos: alimentar el motor suministrándole una serie de pulsos. Para controlar la

velocidad del motor se varía (modula) el ancho de los pulsos, y como el motor siempre

se encuentra alimentado a su tensión nominal nunca se verá reducido su torque

nominal [19]. Dentro de la programación en LabVIEW y las herramientas de ARDUINO

(Toolkit), se hace uso de un bloque funcional llamado “PWM Write Pin”, cuyos

parámetros se muestran en la tabla 2.9, el cual nos proporciona la funcionalidad antes

descrita de la modulación por ancho de pulsos.

Tabla 2.9. Descripción del Bloque PWM Write Pin de LabVIEW.

Duty Cycle : Este valor puede ser una

variable o una constante y sirve para definir

el ciclo del PWM, el cual se encuentra en un

rango de 0 a 255 unidades.

PWM Pin: En esta entrada solo se

seleccionara que pin ocupara nuestra salida,

dependiendo del tipo de tarjeta y del número

de salidas a PWM tenga dicha tarjeta.

58

2.5.2 Inversión de giro y freno

Un puente H es un mecanismo que nos permite variar el sentido de giro a un motor de

corriente continua, usualmente se realiza mediante transistores o directamente con un

circuito integrado, que suelen contener uno o más puentes H. [20].

Figura 2.12. Diagrama de un puente H, mediante el uso de interruptores.

Para ejemplificar, en la Figura 2.12 se muestra un diagrama de puente H usando los

interruptores S1, S2, S3 y S4 que permiten pasar o cortar la corriente en un

determinado circuito, mientras que en la tabla 2.10.se dan a conocer los diferentes

arreglos que pueda tener un puente H y las acciones que genera a una misma tensión.

Tabla 2.10. Diferentes acciones en un puente H.

S1 S2 S3 S4 Resultado

1 0 0 1 El motor gira en avance

0 1 1 0 El motor gira en retroceso

0 0 0 0 El motor se detiene bajo su inercia

1 0 1 0 El motor frena

2.5.3 ARDUINO Motor Shield R3.

La tarjeta ARDUINO Motor Shield R3, mostrada en la figura 2.13., está basada en el

circuito integrado L298P, que es un puente H dual para el manejo de cargas inductivas

59

como relés, solenoides, motores de corriente continua y motores a pasos, y debe ser

usada en complemento a la tarjeta ARDUINO Mega 2560.

Figura 2.13. Diagrama físico de la Tarjeta ARDUINO Motor Shield R3.

Esta tarjeta ARDUINO fue seleccionada para realizar el control de ambos motores,

debido a las características técnicas mencionadas en la Tabla 2.11., así como su

práctica compatibilidad con la Tarjeta ARDUINO Mega 2560, y la sencilla conexión con

esta.

Tabla 2.11. Especificaciones técnicas de la tarjeta ARDUINO Motor Shield [21].

Voltaje de operación 5 a 12 volts

Controlador de motor L298P

Corriente máxima 2A por canal

Detección de corriente 1065 V/A

Función de freno y rotor Libres

60

Permite controlar 2 motores de corriente continua; control de velocidad y dirección de

cada uno en forma independiente, cuenta con dos canales separados, A y B, cada uno

de los cuales usa 4 pines para elegir la dirección de rotación, variar la velocidad, freno

rápido o sensor de la corriente que está fluyendo a través del motor como se observa

en la tabla 2.12.

Tabla 2.12. Distribución de los pines para la conexión de dos motores.

Función Pines canal A Pines canal B

Dirección D12 D13

PWM D3 D11

Freno D9 D8

Detección de corriente A0 A1

2.5.5 Programación

La programación del control de motores se lleva a cabo, como se mencionó

anteriormente, mediante el software de programación grafica LabVIEW. Esta

programación se logra a través de la interconexión de bloques funcionales, los cuales

serán descritos para su mejor comprensión en la tabla 3.4. A continuación se realiza

una descripción de la secuencia grafica utilizada para la programación del control de

velocidad y sentido de giro del motor de acimut.

Para comenzar es necesario inicializar las variables de la tarjeta que se está

utilizando, en este caso es una tarjeta Arduino Mega 2560 para el procesamiento y

una Arduino Motor Shield para el control de motores.

61

Figura 2.14. Inicialización de la tarjeta Arduino Mega 2560

Se inicializan 3 bloques por cada motor, 2 de escritura digital y 1 de escritura PWM.

Dentro de un “while loop” se realiza la conexión de los bloques, teniendo 2 variables

locales que están dadas desde el programa de control, la primera es el valor de la

acción de control y la segunda el error. La señal del error es utilizada como la

referencia, para decidir el sentido de giro del motor, esto se hace con tres

comparadores, uno es utilizado para el frenado del motor si el error es igual a 0 este

nos entrega una salida verdadera, esta salida entra a una función llamada “bolean

to(0,1)” , la cual pone 1 en el bloque de escritura digital que cuenta con un pin

preestablecido. Los 2 comparadores restantes son para seleccionar el sentido de giro

del motor, si el error es menor a 0 uno de los 2 comparadores nos entrega una salida

verdadera, esta salida entra a un selector que tiene conectadas 2 entradas una, la

acción de control y la segunda una constante que en este caso es 0, si el valor

proveniente del comparador es 1 o verdadera, el selector deja pasar el valor de la

acción de control y si la entrada del selector es falsa o 0, el valor que deja pasar es

una constante que en este caso es 0. De la misma manera funciona si el error es

mayor a cero en cuanto al selector, uno de los 2 comparadores envía la señal a un

bloque de escritura digital, el cual escribe en el pin designado para el sentido de giro

del motor según sea el canal elegido, activa el sentido dependiendo de qué estado

tenga en la entrada.

62

Figura 2.15. Utilización de comparadores para el modo automático.

La salida de los selectores entra a un bloque llamado “in range”, esto con la finalidad

de mantener la salida en un rango y no exceder y por consecuencia provocar un error

en la tarjeta. La salida de esos bloques se conecta con un sumador para tener una

entrada al bloque PWM.

Figura 2.16. Utilización del Bloque “in Range”.

Al sistema anterior se le agrega un botón deslizable booleano para hacer la selección

del tipo de control, que puede ser manual o automático. Para el control manual se

cuenta con 4 botones de tipo “Push Botton”; 2 botones de los cuales son para el

movimiento en acimut y 2 para el movimiento en elevación. Para realizar este cambio

de manual a automático se utilizan selectores, uno de ellos para seleccionar si se

trabaja con la acción de control o con un valor preestablecido que es la velocidad del

63

motor. Cuando el botón deslizable esta en nivel alto el selector deja pasar el valor que

fue introducido como una constante. EL segundo selector se utiliza en el bloque que

escribe en el pin para cambiar el sentido de giro del motor, si el botón deslizable está

en nivel alto el selector deja pasar el valor proveniente de un “Push Botton” que solo

puede tomar valor de 0 o 1, si el “Push Botton” es presionado el motor realiza un

movimiento hacia un sentido, si ninguno de los “Push Botton” están presionados, el

motor se detiene, debido a la condición que existe, en que si ambos botones se

encuentran en un estado bajo, la salida va a una compuerta “and” negada para que el

valor sea alto y pueda detener el motor. En el tercer selector, si el botón selector del

tipo de control tiene un nivel alto, deja pasar el nivel alto que proviene de la compuerta

“and” negada, y escribe en el pin que utilizado para realizar el frenado de los motores.

Figura 2.17. Programación para el control de velocidad y sentido de giro del Motor de Acimut.

Para el Motor de elevación la programación cambia en la designación de pines de

escritura digital y PWM. La programación de ambos motores se anexa en el apéndice

A para mejor comprensión.

64

2.6 ALIMENTACION DEL SISTEMA DE CONTROL.

El sistema de control y los motores son alimentados por una batería recargable de 12

volts de corriente directa como la que se muestra en la figura 2.18, para la

alimentación de los sensores de posición (potenciómetros de precisión), el circuito de

acondicionamiento de la señal de la temperatura focal (circuito AD595), así como el

sensor de temperatura ambiental (integrado LM35), es necesario contar con una etapa

encargada de proveer un voltaje de 5 volts constantes.

Figura 2.18. Batería de alimentación de 12 volts.

Con el fin de mantener estable dicho voltaje, se conectó a la batería un regulador de

tensión integrado. Dicho regulador es un circuito LM7805, el cual provee 5 volts de

salida positiva, una corriente máxima de 1 Ampere y soporta consumos pico de hasta

2.2 Amperes, con protección contra sobrecargas térmicas y por cortocircuito, lo cual

satisface las necesidades de alimentación antes mencionadas.

El regulador tiene 3 pines, el pin 1, es para el voltaje de entrada a regular, puede ser

desde 7 hasta 20 volts, el pin 2 va a tierra, y el tercer pin, es la salida regulada de 5

volts. Este circuito se calienta con facilidad, es por ello que requiere un disipador para

su buen funcionamiento. La conexión se puede observar en la Figura 2.19, para la cual

65

solo son necesarios dos capacitores cerámicos, uno entre el punto común y la entrada

y el segundo entre el punto común y la salida. [22]

Figura 2.19. Diagrama de conexión del regulador de voltaje LM7805.

La tarjeta de control y adquisición de datos, Arduino Mega 2560, puede ser alimentada

vía USB o con una fuente de alimentación externa recomendada de 7-12 volts. En este

caso es alimentada mediante la conexión USB junto con la placa Motor Shield, como

se muestra en la Figura 2.20.

Figura 2.20. Alimentación de las tarjetas de control y adquisición mediante un puerto USB.

66

CAPITULO III. DISEÑO DE LA INTERFAZ HOMBRE-

MAQUINA

3.1 INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA

Una Interfaz Hombre Maquina (HMI del inglés, Human Machine Interface) es una

interfaz que nos permite la interacción entre un humano y una maquina o un proceso,

las cuales pueden variar ampliamente, desde paneles de control hasta botones de

entrada. Dos componentes son necesario en una interfaz hombre maquina:

Primero está la entrada, un usuario humano necesita de algún medio para

decirle a la maquina o proceso que hace, hacerle ajustes o cambios.

Segundo la interfaz requiere una salida, que le permita a la máquina mantener

al usuario actualizado acerca del progreso del proceso, o de la ejecución de

máquinas en tiempo real.

Un software HMI, es la interfaz de usuario en una computadora; esta interfaz, permite

ver e interactuar con el proceso en tiempo real, mediante la utilización de textos,

imágenes, iconos, ventanas, objetos dinámicos, etc., logrando una comunicación,

sencilla, económica y eficaz.

Las funciones principales de un software HMI son:

Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos del proceso en tiempo

real, puede ser a través de números, texto, gráficos, u objetos animados, que

permitan una lectura más fácil de interpretar.

Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo, la posibilidad de

ajustar las condiciones de trabajo del proceso, directamente desde la

computadora enviando señales al proceso mediante botones, controles, etc.

Alarmas. Es la acción de reconocer y alertar, en caso de que las variables

excedan límites preestablecidos.

67

Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajusten los valores del

proceso, y así mantener estos valores dentro de ciertos límites.

Históricos. Capacidad de almacenar en archivos, datos del proceso a una

determinada frecuencia. Siendo una importante herramienta para el análisis,

optimización, control y corrección de procesos.

Para el diseño y desarrollo del software HMI, es necesaria una herramienta de

programación, la cual depende de las exigencias del proceso y del diseñador mismo.

La comunicación entre el proceso y la HMI, se realiza mediante una adquisición de

datos, estas señales provenientes del procesos son conducidas a la HMI a través de

dispositivos como tarjetas de Entrada/Salida a la computadora, PLC`s (Controladores

Lógicos Programables), RTU (Unidades Remotas I/O), DRIVES`s (Variadores de

velocidad), según se requiera, y por un medio de transmisión eficiente [23].

3.2 ENTORNO DE DESARROLLO LABVIEW

El entorno LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) es

un entorno de desarrollo y diseño de sistemas que utiliza un lenguaje de programación

visual grafico (lenguaje G). Con este lenguaje de programación, se reducen los

tiempos de desarrollo, se trabaja en un entorno sencillo, rápido y eficiente. Este

software está disponible para los sistemas operativos Microsoft Windows, UNIX, MAC

y Linux.

LabVIEW contiene un gran número de herramientas para adquisición, análisis,

despliegue, y almacenamiento de datos. Los programas realizados en este entorno, se

llaman VI (Virtual Instrument), debido a que su apariencia y operación imita a los

instrumentos físicos, así mismo se puede diseñar una interfaz gráfica del instrumento

virtual, utilizando elementos como controles numéricos, graficas, botones, etc.

68

Cuenta con diversas interfaces de comunicación; puerto serial, puerto paralelo,

protocolo GPIB, PXI, VXI, puerto infrarrojo, bluetooth, USB, OPC. Así como una

importante capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones.

La selección de LabVIEW como entorno para la programación de la HMI del presente

caso de estudio, se debe precisamente a las características antes mencionadas que

aunado con una interfaz de comunicación vía USB con una tarjeta de adquisición de

datos y su capacidad de interacción con otros software, nos permite la comunicación

con la plataforma ARDUINO mediante un paquete de herramientas o toolkit que se

puede consultar en la sección 3.7.

3.3 SISTEMA DE ADQUISICION DE DATOS

El proceso de adquisición de datos que se muestra en la figura 3.1 abarca desde la

conversión de las magnitudes físicas por medio de los sensores hasta la digitalización

de estas, y consiste en 3 etapas principales:

1. Conversión de la magnitud física a una señal eléctrica analógica.

2. Acondicionamiento de la señal eléctrica analógica a una señal eléctrica digital.

3. Sistema hardware de adquisición de datos, generalmente mediante una PC.

Figura 3.1. Proceso de adquisición de datos.

Conversión de la magnitud física. Una parte fundamental de todo sistema de

adquisición de datos es el elemento encargado de percibir la magnitud a medir. Estos

elementos son los sensores, dispositivos capaces de convertir una magnitud física en

una diferencia de potencial o una variación de intensidad. Es decir, realizan una

69

conversión de energías y suministran información sobre el estado y tamaño de la

magnitud.

Las señales adquiridas son en general analógicas, y varían de manera continua en el

tiempo, para poder ser procesadas es necesario convertirlas a datos digitales. A este

proceso se le llama acondicionamiento de las señales.

Acondicionamiento de señal. Una vez obtenida la señal proveniente de los

sensores, es necesario un acondicionamiento para que la señal sea aceptable por la

tarjeta de adquisición de datos, las cuales suelen admitir niveles de tensión que van

entre unos márgenes determinados, -10 a 10V, de 0 a 10V, de 0 a 5V, etc. [24]

Las funciones principales de un acondicionador de señal son:

Transformación: Normalmente las tarjetas de adquisición de datos admiten

diferencias de potencial, por lo que si el sensor proporciona una variación de

intensidad, esta debe ser convertida en una diferencia de potencial

proporcional.

Amplificación: La señal proporcionada por los sensores suele ser de un valor

muy pequeño, por lo que debe ser amplificada con el fin de que pueda ser

detectada correctamente por la tarjeta de adquisición de datos.

Conversión por medio de optoacopladores: Consiste en la conversión de una

señal eléctrica en una señal óptica, de luz. El principal objetivo de esta

conversión consiste en aislar los sistemas eléctricos de los sensores, de los

sistemas eléctricos de la tarjeta de adquisición para que de esta forma, se

eviten problemas de derivación de corrientes.

Filtrado: Consiste en eliminar ruidos de alta frecuencia que pueden perder

exactitud al sistema de adquisición de datos.

Excitación: Hay sensores que necesitan de una excitación en corriente, o en

tensión, para producir la variación proporcional a la magnitud a medir.

70

Linealizacion: No todos los sensores tienen una variación lineal con respecto a

las variaciones de la magnitud que se miden, para ello necesario realizar

cálculos para convertir la respuesta del sensor en lineal.

Sistema hardware de adquisición de datos. El último paso en el sistema de

adquisición de datos, es la tarjeta de adquisición de datos, las cuales se encargan de

convertir las señales analógicas a digitales, y la comunicación con la PC. [25]

En el presente trabajo se utiliza la tarjeta ARDUINO Mega 2560 (ver figura 3.2) como

tarjeta de adquisición de datos, debido a las características que se pueden observar

en la sección 2.3.2, principalmente porque nos brinda 16 entradas analógicas, 14

salidas PWM, conexión vía USB y sobre todo por su compatibilidad con el entorno de

desarrollo LabVIEW.

En la tabla 3.1 se muestra la distribución y conexión de las entradas analógicas en la

tarjeta de adquisición, rangos de voltaje de entrada, tipo de sensor y las variables

medidas, que serán utilizadas para el monitoreo mediante la HMI.

Figura 3.2. Conexión de las señales analógicas a la tarjeta ARDUINO.

71

Tabla 3.1. Datos analógicos de entrada a la tarjeta de adquisición de datos.

Sensor Variable Rango de la

señal (Volts)

Pin

Potenciómetro 1 Posición en

elevación

De 0 a 5 A0

Potenciómetro 1 Posición en

acimut

De 0 a 5 A1

Termopar Temperatura

Focal

De 0 a 5 A2

LM35 Temperatura

ambiental

De 0 a 5 A3

Piranometro Radiación Pendiente A4

Batería Voltaje De 0 a 12 A5

3.4 SENSOR DE POSICION

Para la estrategia de control de lazo cerrado, es necesaria la retroalimentación de la

posición exacta de los dos ejes de movimiento del colector solar, tanto del movimiento

de acimut como del de elevación, por lo tanto se considera utilizar dos potenciómetros

de precisión multivuelta (ver figura 3.3).

Un potenciómetro es un resistor al que se le puede variar el valor de su resistencia, lo

cual permite controlar la intensidad de corriente que hay en una línea, cuando este

está conectado en paralelo o, la diferencia de potencial si está conectado en serie [26].

Cuando es necesario un ajuste fino de la resistencia, existen potenciómetros de

precisión multivuelta, en los que el cursor va unido a un tornillo multiplicador, de modo

que para completar el recorrido, necesita varias vueltas del órgano de mando.

72

Figura 3.3. Potenciómetro multivuelta de precisión.

Estos dispositivos fueron elegidos debido a que son instrumentos de generación de

retroalimentación simple y de bajo costo, además de que estos potenciómetros tienen

la característica de proporcionar posición absoluta en forma analógica como valor de

resistencia o voltaje. Dichos valores analógicos pueden ser fácilmente convertidos a

datos digitales por convertidores analógico-digitales. Una característica importante de

estos potenciómetros es su rango de tolerancia, ya que es de aproximadamente

0.005% como se observa en la Tabla 3.2.

Tabla 3.2. Especificaciones técnicas del Potenciómetro multivuelta de precisión.

Para la medición de posición del eje horizontal, la flecha del potenciómetro de

precisión se acopla y sujeta al eje de elevación (0 a 90º), mediante una base auxiliar

Tipo de potenciómetro Bobinado, precisión, multivuelta

Potencia 2W

Resistencia 10kΩ

Tolerancia ±5%

No. de rotaciones eléctricas. 10

Tolerancia de linealidad ±0.25%

Resistencia de aislamiento mín. 1000MΩ

Temperatura de trabajo -55...125°C

Serie de potenciómetros 534

Coeficiente de temperatura 20ppm/°C

73

se sujetara el cuerpo del potenciómetro a uno de los brazos de soporte del disco,

como se puede observar en la Figura 3.4.

Figura 3.4. Acoplamiento del potenciómetro al eje de elevación.

La medición de posición para el movimiento de acimut (de 0 a 180º), se lleva a cabo

mediante un segundo potenciómetro de precisión, esta vez acoplando al eje de un

engrane y sujetado mediante una base auxiliar a la caja de engranes inferior, como se

muestra en la Figura 3.5.

Figura 3.5. Acoplamiento del potenciómetro al eje de acimut.

Ambos potenciómetros tienen una entrada de 5 volts, alimentados en las terminales 1

y 3, que se pueden observar en la Figura 3.3., y una salida por la terminal 2, la cual

otorga una señal analógica variable de 0 a 5 volts, esto debido a la caída de tensión

74

que existe en la resistencia del potenciómetro. Es ésta señal la adquirida por la tarjeta

Arduino mega 2560 para después ser procesada y adecuada.

3.4.1 Adecuación de la señal

Una vez adquirida la señal mediante la tarjeta, se debe adecuar a un valor numérico,

esto debido a que es una señal de entrada de voltaje y es necesario procesarla a un

valor en grados para así poder retroalimentar la señal de posición.

Para realizar este proceso de acondicionamiento se ha considerado establecer

distintos valores de voltaje en diferentes posiciones de cada uno de los ejes del

colector, lo anterior mediante un muestreo que consiste en mediciones de voltaje a

cada 10 grados de movimiento de los ejes. Una vez obtenidos los valores necesarios,

se procede a realizar un mapeo, esto es, la obtención de una escala, partiendo de la

relación lineal que guarda la variación de la resistencia del potenciómetro, con la caída

de tensión que nos entrega a la salida.

3.5 SENSOR DE TEMPERATURA FOCAL

3.5.1 Principio de Funcionamiento de un termopar.

Un termopar es un dispositivo para la medición de la temperatura, basado en efectos

termoeléctricos. Es un circuito formado por dos conductores de metales diferentes o

aleaciones de metales diferentes, unidos en sus extremos y entre cuyas uniones

existe una diferencia de temperatura, que origina una fuerza electromotriz.

El principio de funcionamiento de los sensores termoeléctricos se basa en los

descubrimientos de Thomas Johann Seebeck (1822), Jean C.A. Peltier (1834) y

William Thompson (1847), denominados efecto Seebeck, efecto Peltier y efecto

Thompson.

75

El efecto Seebeck consiste en la aparición de una diferencia de potencial entre dos

puntos distintos de un conductor eléctrico que se encuentran de manera simultánea a

diferentes temperaturas. En un termopar, el efecto Seebeck se manifiesta por la

aparición de una corriente eléctrica que sólo depende de la diferencia de temperaturas

entre las uniones como se muestra en la figura 3.6. Donde A es un metal o un

semiconductor y B es un metal o un semiconductor de diferentes características.

Figura 3.6. Efecto Seebeck en un termopar.

El efecto Peltier fundamenta que la unión de dos metales se calienta o enfría según se

haga pasar una corriente eléctrica en un sentido o en otro. Este efecto también

depende linealmente de la corriente y se debe a las diferentes electronegatividades de

los metales. Como el efecto es reversible, una diferencia de temperaturas provoca a

su vez un trasvase de electrones y aparece como consecuencia una diferencia de

potencial. (Ver figura 3.7.), Donde T1 y T2 son las temperaturas de cada una de las

uniones.

76

Figura 3.7. Efecto Peltier.

El efecto Thompson, se caracteriza por la absorción o liberación de calor por parte de

un conductor sometido a un gradiente de temperatura (razón de cambio de

temperatura por unidad de distancia), por el que circula una corriente.

En la figura 3.8., se muestra un termopar en donde las uniones están a temperaturas

T1 y T2, se produce una tensión V1, la cual corresponde a la suma de las caídas de

potencial en cada una de las junturas. Por lo tanto, el termopar es básicamente un

dispositivo de medida diferencial, se necesita una temperatura de referencia conocida

para una de las uniones (normalmente es la del punto de agua/hielo de 0°C), así la

temperatura de la otra unión será deducida del voltaje de salida [27].

Figura 3.8. Termopar con referencia a 0ºC.

3.5.2 Termopar tipo K

Para la medición de temperatura del elemento absorbedor se ha determinado utilizar

un termopar debido al rango de temperatura que capta el colector actualmente (desde

600ºC hasta 1200ºC), además de que son relativamente económicos y brindan mayor

exactitud en comparación con otros instrumentos de medición.

El termopar seleccionado se muestra en la figura 3.9, el cual es de tipo K, constituido

por una unión de Cromel-Alumel, se puede utilizar para medir temperaturas desde -

200 a 1300º C, su exactitud es de ± 0.75º C, con una longitud del cable de 3m.

77

Figura 3.9. Termopar tipo K.

Con la intención de que la temperatura leída por el termopar sea considerada

prácticamente igual a la temperatura alcanzada por el absorbedor, el sensor se coloca

en la parte posterior del absorbedor mediante un barreno de ¼” con cuerda estándar

como se muestra en la figura 3.10., de forma que la unión del termopar este en

contacto con el absorbedor.

Figura 3.10. Sujeción del termopar al elemento absorbedor.

78

3.5.3 Acondicionamiento de la señal

El acondicionamiento es una etapa esencial del tratamiento de la señal, consiste en

prepararla antes de llevarla a un convertidor A/D, a un microcontrolador o a un

procesador digital de señales. En la actualidad se han integrado los componentes de

la etapa de acondicionamiento en circuitos electrónicos compactos, empezando por el

uso de amplificadores operacionales integrando varios de ellos en uno sólo, como los

amplificadores de instrumentación. Además las cadenas de acondicionamiento se han

ido reduciendo drásticamente y hoy en día se cuenta con circuitos integrados que

realizan todas esas tareas. [28]

El circuito integrado AD595 se utiliza para la compensación de cero o compensación

de unión fría producida en los termopares tipo K, y a su vez como un amplificador para

los voltajes generados por estos. Este circuito integrado combina una referencia con

un amplificador pre calibrado interno, para producir un alto nivel de exactitud (10 mV/

ºC), dicha referencia la toma de la temperatura a la que él se encuentre. También

incluye una alarma en caso de que el termopar se dañe o sea desconectado.

Figura 3.11. Diagrama de conexión del circuito integrado AD595.

79

En la figura 3.11., se muestra un diagrama del circuito integrado AD595. El termopar

se conecta a los pines 1 y 14. Este es un amplificador que usa la temperatura local

como su referencia. El circuito de compensación desarrolla un voltaje igual a la

deficiencia que se da en la temperatura local del termopar. Este voltaje se aplica a un

segundo preamplificador cuyo voltaje se suma con el voltaje del amplificador de

entrada. El voltaje resultante se aplica a la entrada de un amplificador de voltaje. A

través del camino de compensación, el amplificador principal mantiene un equilibrio en

sus entradas.

En caso de que el termopar este abierto o desconectado, están entradas se

desequilibran, la falta se detecta y el circuito de conexión de carga excesiva maneja un

transistor n-p-n actualmente limitado que puede unirse como una alarma.

El rango de salida para el AD5595 es de 40.44 µ V/ ºC. La ganancia resultante es de

247.3 (10nV/ ºC dividido entre 40.44 µ V/ ºC).

En adición a esto, el integrado AD595 posee eliminación del “offset” ya que a la salida

de cada uno les agrega voltaje de 11µV. [29]

Debido a que la salida no es lineal se debe usar la siguiente función:

( )( ) (3.1)

Despejando el voltaje se tiene que:

(3.2)

80

3.6 SENSOR DE TEMPERATURA AMBIENTAL

Una variable a considerar en el monitoreo que se llevara a cabo mediante la Interfaz

Hombre Maquina, es la temperatura ambiental, la cual brinda una herramienta

importante para el análisis de datos.

Existen diversos instrumentos para la medición de dicha temperatura, en este caso

particular, se utiliza un sensor de temperatura LM35, el cual es un circuito integrado

cuya salida de voltaje es linealmente proporcional a la temperatura en °C. Esta

conversión permite que a través de la tarjeta ARDUINO MEGA 2560 y la programación

respectiva, se obtenga en tiempo real la temperatura del punto en que este ubicado el

sensor.

3.6.1 Descripción del sensor de Temperatura Centígrada LM35.

El LM35 es un sensor de temperatura con una precisión calibrada de 1ºC y un rango

que abarca de -55 a 150ºC, la salida es lineal y equivale a 10mV/ºC, esta calibrado

directamente en grados Celsius, tiene un auto calentamiento bajo de 0.08ºC, es un

circuito integrado económico, lo que lo hace ideal para esta aplicación.

Figura 3.12. Circuito Integrado LM35.

81

Tabla 3.3. Especificaciones técnicas del circuito integrado LM35.

Exactitud 0.5ºC a (+25ºC)

Rango -55 a +150ºC

Tipo de encapsulado TO-92

Voltaje de alimentación De 4 a 20 V

Corriente consumida Menor a 60µA

Factor de escala Lineal 10mV/ ºC

Se utiliza la configuración básica mostrada en la figura 3.13 para conectar el circuito

integrado LM35 proporcionando así un rango de operación de +2ºC a +150ºC [30].

Figura 3.13. Configuración básica del sensor de temperatura y numeración de pines del circuito integrado

82

3.7 COMUNICACIÓN LABVIEW-ARDUINO.

Para lograr la comunicación entre la Tarjeta ARDUINO Mega 2560 y el software de

desarrollo LabVIEW, es necesario utilizar un conjunto de herramientas, las cuales nos

permiten interactuar entre ambas plataformas.

LIFA (LabVIEW Interface For Arduino, por sus siglas en inglés) es una herramienta

gratuita que puede ser descargada desde el servidor de National Instruments (NI, por

sus siglas en ingles) y que permite establecer la interfaz fácilmente del Hardware

Arduino con el software LabVIEW. Este juego de herramientas, LIFA y LabVIEW

permite adquirir, procesar, y manipular datos mediante las librerías que nos ofrecen

ambas plataformas de programación.

La tarjeta Arduino debe conectarse a la PC con LabVIEW a través de un enlace USB,

serial, Bluetooth o XBee. Para este caso en específico el enlace es mediante USB

como se puede observar en la figura 3.14.

Figura 3.14. Comunicación entre LabVIEW y Arduino.

Para poder hacer uso de los beneficios que nos brinda LIFA, es necesario seguir una

serie de pasos para poder instalar esta herramienta:

1.- Tener instalado LabVIEW 2009 o posterior.

83

2.- Instalar controladores NI-VISA. Para LabVIEW, el Arduino aparece como un

dispositivo de instrumento serial. Para comunicarse con los instrumentos en serie en

LabVIEW, es necesario tener la última versión del controlador NI-VISA.

3.- Instalar el Arduino IDE y drivers para Windows.

4.- Instalar LIFA. La cual está disponible como un paquete a través de la VI LabVIEW

Tools Network.

5.- Descargar 'LIFA_Base.pde "al Arduino. La LIFA viene con un programa de dibujo

que debe ser cargado en el Arduino para poder utilizar los VIs de comunicación. Para

ello es necesario el software instalado en el paso 4.

Después de estos sencillos pasos, la comunicación entre la tarjeta Arduino y el

software LabVIEW se logra automáticamente cada que se realice la conexión USB.

3.8 PROGRAMACION DE LA HMI

Como se ha mencionado, LabVIEW es una herramienta de programación gráfica, esto

quiere decir que los programas no se escriben, si no que se enlazan bloques,

facilitando su comprensión y una estructura ordenada de la aplicación.

Un programa se divide en “Panel frontal” y “Diagrama de bloques”. El panel frontal es

la interfaz con el usuario, en él se definen los controles e indicadores que se muestran

en pantalla, es decir, esta es la forma final de la aplicación.

El diagrama de bloques es donde se realiza la programación en forma gráfica, en

donde se define su funcionalidad, aquí se colocan iconos o SubVI`s (librerías

dinámicas), que realizan una determinada tarea y se interconectan para cumplir los

requerimientos de la aplicación.

En la tabla 3.4 se muestra una descripción de iconos o bloques utilizados en la

programación tanto de la HMI como del control utilizados en el Capítulo II.

84

Tabla 3.4. Descripción de Bloques utilizados en la Programación.

Simbolo Descripción

Indicador de temperatura

Get Date/Time in seconds function

Regresa como dato de precisión de doble flotante la fecha y hora

Seleccionador de opción automática o manual

Grafica de temperatura en el termopar

Indicador de fecha y hora

85

Tabla 3.4. (cont.) Descripción de Bloques utilizados en la Programación.

Indicador de radiación

Guarda una base de datos de las mediciones realizadas

Combina dos o más señales en una sola salida

Cambia la amplitud de una señal mediante la ampliación o la cartografía de la señal

Repite la subdiagrama su interior hasta que el terminal condicional

Node formula

Evalúa las fórmulas matemáticas y expresiones similares a C en el diagrama de bloques

86

Tabla 3.4. (cont.) Descripción de Bloques utilizados en la Programación.

Init

Inicializa la tarjeta Arduino, seleccionando el tipo de conexión, tipo de tarjeta, velocidad de procesamiento

Close

Cierra el circuito de Arduino, es similar a un end en programación en c

Analog read pin

Este bloque realiza la lectura de una entrada analógica en la entrada designada.

Digital write pin

Escribe una señal digital en el pin designado

PWM write pin

Escribe una señal de tipo PWM, que varía de 0 a 255, la escribe en el pin que se designa.

Get Date/time

Obtiene los datos de fecha y hora de la computadora.

Get date/time in string

Separa en 2 cadenas la hora y la fecha obtenidas por el bloque Get Date/time.

87

Tabla 3.4. (cont.) Descripción de Bloques utilizados en la Programación.

String Subset

Substrae caracteres de una cadena

Fract/Exp String To Number

Convierte de una cadena de caracteres a un valor numérico.

In Range Verifica que el valor que se encuentra a su entrada este dentro de un rango de valores teniendo un mínimo y un máximo.

Indicador de Parámetros Arduino

Indicador y Salida del Error de la Tarjeta Arduino.

Controlador de Entrada de la Tarjeta Arduino

Control Arduino Resource

Controlador de Parámetros de Inicialización para la Tarjeta Arduino

88

La programación de la HMI comienza con un “while loop”, dentro de este lazo se lleva

a cabo la secuencia por medio de bloques. En la parte exterior izquierda del “while

loop” se inserta un bloque de inicialización Arduino, y se colocan 5 bloques de lectura

de señal analógica dentro del lazo, estos bloques toman los parámetros de

inicialización de la tarjeta Arduino, el primero de ellos lee una señal proveniente del

circuito que realiza la linealizacion de la señal del termopar, la salida de este bloque

va a un “scaling and mapping”, el cual realiza un mapeo de la señal, a este bloque se

le establece una interpolación para que conforme a la lectura que esté realizando,

entregue un valor ya interpolado que se despliega en un indicador y en seguida a un

bloque que permite graficar las temperaturas adquiridas durante el transcurso del día

como se observa en la figura 3.15.

Figura 3.15. Inicialización de la tarjeta Arduino Mega 2560.

Los siguientes 2 bloques realizan la lectura como en el caso anterior, pero ahora

refiriéndose a un sensor de temperatura ambiental en este caso proveniente de un

LM35 y el restante recibe la señal de un Piranometro.

En la figura 3.16 se observa la salida de los 3 bloques “scaling and mapping” ingresa a

un multiplexor para que a su vez la salida del multiplexor vaya a un bloque de “write to

measurament file”, la función de este bloque es crear un archivo con el historial de las

temperaturas registradas a lo largo del día en una dirección previamente indicada.

89

Figura 3.16. Programación para registro de lecturas de variables.

Los siguientes dos bloques de lectura analógica como se muestra en la figura 3.17,

serán utilizados uno para la lectura de la batería y el otro para el voltaje del regulador

LM7805. Para el caso de la batería esta lectura está conectada a un comparador, en

donde, si el voltaje de salida de la batería es menor a 10 volts el comparador

entregara un nivel alto, ese nivel alto encenderá un indicador de tipo led que alerta

cuando el voltaje de la batería no sea suficiente.

Figura 3.17. Lectura del nivel de batería.

90

Para la lectura del regulador de voltaje LM7805 la salida del bloque está conectada a 2

comparadores, uno que es “menor que” y el otro “mayor que” una constante

preestablecida en 5.3 volts como lo indica la figura 3.18, con el fin de que cualquiera

de los 2 comparadores encienda un indicador de tipo led, que alerta si el voltaje

aumenta o disminuye del preestablecido.

Figura 3.18. Lectura del regulador de voltaje.

En la parte superior izquierda hay 2 bloques y 2 indicadores, estos 4 elementos son

utilizados para la indicación de la hora y la fecha del d a, el primer bloque es un “Get

time/date”, el cual toma los datos de la computadora y los ingresa a un bloque que

separa la hora y la fecha en dos cadenas cada una con un indicador como se muestra

en la figura 3.19.

Figura 3.19. Indicación de Hora y Fecha.

En la parte superior derecha se encuentran 4 botones tipo “Push Botton” y 2 botones

tipo deslizable, junto con 2 indicadores y 3 controladores numéricos. Los cuatro

botones son para el control manual de la posición del colector, estos 4 botones

91

funcionan solo en caso de que el botón deslizable se encuentre en un nivel alto. El otro

botón deslizable se ocupa para el cambio de los valores de la latitud y longitud, si el

botón se encuentra en un nivel alto los controladores podrán ser ocupados para

cambiar los valores, si el botón presenta un nivel bajo se usan los valores

preestablecidos dentro de la programación, el botón deslizable se encuentra

conectado a un indicador de tipo led solo para saber el estado en que se encuentra.

Esto se muestra en la figura 3.20.

Figura 3.20. Control de motores.

Con el fin de reducir la programación dentro del diagrama de bloques, se realizan

Subvi`s, que son herramientas de LabVIEW que nos permiten realizar tareas de

formas más sencillas dentro de la programación principal, utilizando una estructura

jerárquica y usando elementos comunes varias veces dentro de la aplicación.

92

En el caso del Set Point, que es una Subvi, nos entrega 2 variables, el valor de acimut

y el de Elevación, estos 2 valores se introducen a la Subvi del control. Del bloque de

control se obtienen 2 acciones de control y dos errores, uno para cada motor que

como fue explicado anteriormente, las cuales deciden el sentido de giro de estos.

Figura 3.21. Subvi`s Control y Set Point.

La integración de la programación en bloques de la Interfaz Hombre Maquina se anexa

en el apéndice A.

3.8.1 Descripción de la Interfaz Hombre Maquina

El panel frontal como antes se menciono es la interfaz, la cual está compuesta por

diferentes elementos con los que el usuario interactúa para poder realizar actividades

determinadas. En la tabla 3.5 se puede observar cada elemento que integra este

panel, así como la función que realiza dentro de la HMI.

93

3.5. Descripción de los elementos que conforman el Panel Frontal.

Elemento Descripción

Indicador gráfico y numérico de temperatura

ambiente, esta calibrado para mediciones de

0 a 50º C.

Indicador gráfico y numérico de temperatura

focal, su rango de operación es de 0 a 1300º

C.

Grafica de temperatura focal, expresa el

comportamiento de la temperatura medida

en el elemento absorbedor, a través del

tiempo.

Selector del tipo de control a utilizar, este

puede ser en un modo automático;

colocación y seguimiento autónomo, o modo

manual; colocación y seguimiento por medio

del operador.

En caso de seleccionar el modo manual,

estos botones proporcionaran el

movimiento de los ejes del colector, acimut

(izquierda o derecha) y elevación (arriba o

abajo).

94

Indicador gráfico y numérico de la radiación

medida.

Estos indicadores numéricos, nos muestran

la posición en grados del colector, ya sea en

elevación (0 a 90º) o en acimut (de 0 a

180º).

Indicador de la fecha y hora actual.

Ubicación del colector en latitud y longitud,

se podrá elegir entre el ingreso de una

nueva ubicación, o el uso de la ubicación

predeterminada.

Se muestra un hipervínculo a la página del

Centro Meteorológico Nacional, para facilitar

las consultas climatológicas.

Este icono, nos da acceso a la base de

datos realizada en Excel, la cual está

continuamente actualizada, y nos brinda los

datos de la temperatura ambiental, focal,

radiación, y posición, cada cierto tiempo

previamente determinado.

95

Una vez descritos cada uno de los elementos que conforman la HMI, se presenta en la

Figura 3.22., la pantalla que integra los elementos tanto del control como del monitoreo

del colector solar. Para un mejor detalle, se anexa en el Apéndice C.

Figura 3.22. Integración de los elementos que conforman la HMI.

Indicador grafico del nivel de voltaje en la

batería que alimenta todo el sistema de

control, y en caso que el nivel llegue a un

límite especificado, se encenderá una alerta

que indique que la batería se debe cargar.

96

CAPITULO IV. INTEGRACION Y PRUEBAS

4.1 ESCALAMIENTO PARA SENSORES DE POSICION

Como se mencionó anteriormente los sensores utilizados para la retroalimentación de

la posición, son dos potenciómetros multivuelta, los cuales son alimentados con un

voltaje constante de 5.3 volts que al variar la resistencia mediante la variación de

posición en cada uno de los ejes de movimiento, se genera un voltaje de salida, el cual

está relacionado a los grados de movimiento que se tengan.

Para sacar la relación entre el voltaje y los grados de movimiento, se realizaron una

serie de mediciones en cada eje del colector, para la elevación, fue de 0 a 90º con

mediciones cada 10º, mientras que para el movimiento en acimut, se realizó cada 20º,

comenzando en 0º y terminando en 180º. El procedimiento consistió en medir los

grados de giro en cada una de las flechas de los motores y el voltaje entregado por el

potenciómetro cada 10 o 20 grados según fue el caso. En la tabla 4.1.se observa el

mapeo obtenido de estas mediciones.

Tabla 4.1. Relación Grados-Voltaje en cada Potenciómetro

Acimut Elevación

Grados Voltaje Grados Voltaje

0 3,26 0 3,76

20 3,06 10 3,75

40 2,86 20 3,74

60 2,66 30 3,73

97

80 2,46 40 3,72

100 2,26 50 3,71

120 2,06 60 3,7

140 1,86 70 3,69

160 1,66 80 3,68

180 1,46 90 3,67

Figura 4.1. Medición grados-voltaje en cada eje de movimiento.

Una vez realizadas estas mediciones, los valores son ingresados a la programación,

en un bloque llamado “scaling and mapping” en el cual se hace una interpolación y se

grafican estos valores; el voltaje en el eje “X”, y los grados en el eje “Y”. Dependiendo

el voltaje que lea la tarjeta, será la salida en grados que nos brindara la posición. Las

mediciones de los potenciómetros son ingresadas a la programación del control como

retroalimentación con el nombre de la variable “med” y “med1” para elevación y

acimut, y con ellas comparar el valor del Set Point para así poder calcular el error.

98

Figura 4.2. Diagrama de bloques del Mapeo en LabVIEW.

4.2 SINTONIZACION DEL CONTROLADOR PI

Como se estableció en la Capitulo II, el método de sintonización adecuado para este

caso, es Heurístico, esto es a prueba y error, en el cual se varían los parámetros Ti y

Kp como se menciona en la sección 2.3.1., hasta lograr la respuesta esperada del lazo

de control para cada motor. En cada controlador, elevación y acimut, se realizaron

aproximadamente 30 pruebas de las cuales 5 presentan los cambios más notables en

la respuesta del sistema, que se pueden observar en las tablas 4.2 y 4.3.

Figura 4.3. Respuesta esperada del lazo de control para el motor de acimut.

99

Tabla 4.2. Sintonización del controlador PI para el Motor Acimut.

Ganancia Proporcional

Kp

Tiempo Integral

Ti

Grafica de Respuesta PI

Motor Acimut

20 10

10 5

5 2

5 3

100

2.7 1.6

Para el lazo de control de elevación se considera la siguiente respuesta.

Figura 4.4. Respuesta esperada del lazo de control para el motor de elevación.

Tabla 4.3. Sintonización del controlador PI para el Motor elevación.

Ganancia Proporcional

Kp

Tiempo Integral

Ti

Grafica de Respuesta PI

Motor elevación

5 2

101

3 1.5

2.05 19.

1.95 1.2

1.5 1

La respuesta esperada se logró para el lazo de acimut con una ganancia proporcional

igual a 2.7 y un tiempo de integración de 1.6 y para el lazo de elevación una ganancia

102

proporcional igual a 1.5 y tiempo de integración igual a 1, como se puede observar en

la tabla 4.4.

Tabla 4.4. Resultados finales de la sintonización.

Movimiento Ganancia

proporcional

Tiempo de

integración

Respuesta

Elevación 1.5 1

Acimut 2.7 1.6

103

4.3 PRUEBA DE POSICIÓN

Una vez realizada la sintonización del controlador se procede a realizar las pruebas de

posición que como se detalla en el Capítulo II, el Set Point está dado por las

Ecuaciones del Movimiento Aparente del Sol, las cuales nos proporcionan los ángulos

de Elevación y Acimut necesarios para lograr el posicionamiento de los dos ejes del

colector.

Para las pruebas de posición, es necesario realizar los cálculos correspondientes a los

ángulos de acimut y elevación para lo cual se establecen las condiciones de operación

[31], para dos días de prueba, Jueves 7 y Viernes 8 de noviembre que se muestran en

las tablas 4.5 y 4.6 respectivamente.

Tabla 4.5. Condiciones para la Prueba del día 7 de Noviembre 2013.

Una vez obtenidos los cálculos de acimut y elevación, se procede a registrar los

valores de posición dados por el sistema de control y visualizados en la HMI. La

comparación entre los valores calculados y los valores medidos así como el tiempo de

prueba para cada uno de ellos se muestra en la tabla 4.6 para la prueba del día 7 de

Noviembre.

Datos de la Localidad

Fecha 07/11/2013

n 311

Lugar San Pedro Zacatenco

Latitud (Φ) 19.5°

Longitud Estándar (Lst) 90°

Longitud Local (Lloc) 99°

104

Tabla 4.6. Prueba de posición del día 7 de Noviembre 2013.

Para la prueba del día 8 de Noviembre las condiciones de operación se presentan en

la tabla 4.7.

Tabla 4.7. Condiciones para la Prueba del día 8 de Noviembre 2013.

Datos de la Localidad

Fecha 08/11/2013

n 312

Lugar San Pedro Zacatenco

Latitud (Φ) 19.5°

Longitud Estándar (Lst) 90°

Longitud Local (Lloc) 99°

Hora Angulo de

Elevación

Calculado(°)

Angulo de

Elevación

Medido

Angulo de

Acimut

Calculado

Angulo de

Acimut

Medido

10 hrs 40.0994874 40.2072453 -45.0757314 -45.0469966

11 hrs 48.6735198 48.7812777 -28.9192663 -28.8905315

12 hrs 53.1236681 53.231426 -7.20828108 -7.17954628

13 hrs 51.9710986 52.0788565 16.3929469 16.4216817

14 hrs 45.6509931 45.758751 36.030715 36.0594498

15 hrs 35.9490437 36.0568016 50.0364879 50.0652227

16 hrs 24.3516865 24.4594444 59.8127383 59.8414731

105

Para esta prueba, se realizan los cálculos para el día 8 de Noviembre, y se registran

los valores dados por el sistema de control y visualizados en la HMI así como el

tiempo para cada uno de ellos como se puede observar en la Tabla 4.8.

Tabla 4.8. Prueba de posición del día 08 de Noviembre 2013.

Resultados

Al realizar las pruebas se encuentra una mínima diferencia entre los valores

calculados y los medidos por el sistema, estas variaciones son debidas a diversos

factores como lo son el viento, el manejo de decimales y el juego mecánico que tiene

el sistema. Esta diferencia se puede considerar despreciable ya que la desigualdad

entre el valor calculado y el valor medido es menor a un grado en el caso de ambos

motores, esto hace que el error por factores externos sea mínimo, por lo cual se

considera que el funcionamiento del sistema de posicionamiento logra resultado

esperado.

Hora Angulo de

Elevación

Calculado(°)

Angulo de

Elevación

Medido

Angulo de

Acimut

Calculado

Angulo de

Acimut

Medido

10 hrs 39.8929995 40.0007574 -44.8407451 -44.8143103

11 hrs 48.4258221 48.53358 -28.7425133 -28.7160785

12 hrs 52.8503805 52.9581384 -7.17684421 -7.15040941

13 hrs 51.712456 51.8202139 16.2468426 16.2732774

14 hrs 45.4366307 45.5443886 35.7871739 35.8136087

15 hrs 35.7810078 35.8887657 49.769518 49.7959528

16 hrs 24.2212606 24.3290185 59.5484474 59.5748822

106

4.3 PRUEBA DE MONITOREO DE TEMPERATURA

Para la realización de la prueba de monitoreo de temperatura focal, fueron necesarios

dos termopares con las mismas características de operación (mencionado en el

capítulo III), uno de ellos conectado a un indicador de temperatura como se observa

en la figura 4.5 y el segundo conectado a la tarjeta de adquisición de datos, que se

puede monitorear desde la HMI. En la tabla 4.9.se muestran ambas mediciones

realizadas al mismo tiempo, en el mismo punto focal, esto para verificar que la

medición desplegada en la HMI que se puede observar en la figura 4.6 sea la misma

que se obtiene de una medición con un indicador de temperatura.

Para las mediciones de temperatura ambiental, se utiliza un termómetro digital para la

primera medición y el Sensor LM35 monitoreado desde la HMI para la segunda

medición. Esta comparación nos permitirá observar la variación existente entre un

instrumento de medición independiente y la adquisición de datos en tiempo real que se

implementó.

Figura 4.5. Medición de temperatura focal y ambiental mediante instrumentos digitales.

107

Figura 4.6. Medición obtenida de la HMI para temperatura focal y ambiental.

Tabla 4.9. Prueba de temperatura en ºC.

Hora

Temperatura

ambiental

Termómetro digital

Temperatura

ambiental LM35

Monitoreada HMI

Temperatura

Focal del

Indicador

Temperatura

Focal

Monitoreada HMI

13:00 23.5 23.62 537 537.5

13:10 23.6 23.73 542 542.5

13:20 23.6 23.63 569 569.6

13:30 23.5 23.63 540 540.7

13:40 23.8 23.92 553 553.2

13:50 24.2 24.32 555 555.1

14:00 24.5 24.63 534 534.5

14:10 24.1 24.22 523 523.7

14:20 23.9 24.4 508 508.4

14:30 24.2 24.35 421 421.6

14:40 24.2 23.35 434 434.6

14:50 24.2 24.34 489 489.4

15:00 24.1 24.23 542 542.5

108

Resultados

Se encontró una mínima variación de la medición de temperatura ambiental entre el

instrumento digital y el sensor en la adquisición de datos, se considera que esta

variación se debe a las características propias de cada instrumento y al ser mínima, no

implica que alguna de las lecturas se considere errónea. También se puede notar que

la medición dada por el sensor LM35 es más precisa que la obtenida por instrumento

digital.

En el caso de las temperaturas brindadas por los termopares, se observa que la única

variación existente entre ambas temperaturas es debido a la precisión que nos ofrece

el de sistema de adquisición de datos puesto que al tener una señal en milivolts, la

medición se vuelve más precisa.

109

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Debido a que el movimiento de los ejes de elevación y acimut es poco frecuente, a

baja velocidad y con un desplazamiento angular mínimo, la acción de control

Proporcional-Integral que se utilizó brinda una respuesta adecuada del sistema,

logrando que el colector este orientado en todo momento hacia el sol, cumpliendo así

con su característica de obtener mayor cantidad de energía solar captada a lo largo de

día.

Al no contar con el modelo del sistema, se recurrió al método de sintonización

heurístico, con ello el rango de pruebas para la ganancia proporcional y tiempo

integral, fue mayor, en el cual se realizaron aproximadamente 30 pruebas por cada

lazo, hasta llegar a la respuesta deseada. Este método nos brinda una respuesta

aproximada pero no exacta del sistema.

El consumo de energía del sistema implementado no aumenta en comparación al

sistema con el que se contaba anteriormente, por lo que la batería utilizada sigue

cubriendo las necesidades de alimentación de todo el sistema durante

aproximadamente 24 horas de funcionamiento.

Para el control de motores fue necesario hacer una serie de pruebas con respecto a la

corriente consumida por cada motor y la corriente soportada tanto por la tarjeta de

control de motores como por la tarjeta microcontroladora, con lo que se llegó a la

conclusión de que a pesar de que el sistema funciona plenamente, se recomienda

implementar protecciones para picos de corriente mayores a 2 Amperes por canal,

esto con el fin de proteger y aumentar el tiempo de vida de las tarjetas de control.

El sistema de adquisición de datos implementado es completamente funcional, las

mediciones de temperatura focal, ambiental y voltaje de la batería realizadas en las

110

pruebas, arrojaron datos más precisos que las obtenidas con otros instrumentos de

medición, los valores son desplegados en tiempo real mediante una HMI que es de

fácil acceso para el usuario. El principal problema al realizar estas pruebas se debió a

que la señal proveniente del termopar no es lineal, lo cual fue resuelto mediante la

utilización de un circuito integrado de instrumentación AD595, el cual acondiciono

dicha señal para poder ser ingresada al tarjeta de adquisición de datos.

El diseño de la HMI es completamente grafico por lo que el monitoreo del

comportamiento de todo el sistema es práctico y sencillo, aunado a ello, las alarmas

implementadas, la creación de una base de datos con los registros de las mediciones

y el control de posición del colector de forma remota mediante la HMI, logran que la

interfaz sea completa, funcional y de fácil manipulación para cualquier persona.

Por último es importante mencionar que para el funcionamiento del software de la

Interfaz Hombre Maquina, no es necesario tener instalado el programa LabVIEW con

el que fue realizada, el único requerimiento es contar con el “Run-Time” de National

Intruments, que es un paquete de herramientas para que el programa ejecutable de la

HMI pueda funcionar en la PC designada y con ello evitar que se reduzca el

rendimiento de esta PC en comparación con tener instalado el software LabVIEW

completo.

Tomando en cuenta el grado de automatización y la implementación realizada al

Colector Solar PDR, no es posible lograr una comparación de costo con sistemas que

se ofrecen en el mercado actualmente debido a que estos sistemas son generalmente

semi-automatizados y el monitoreo que ofrecen es básico, comparado con el realizado

a lo largo de este trabajo.

111

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118

APÉNDICE

A

DIAGRAMAS DE PROGRAMACION EN BLOQUES

119

A.1 PROGRAMACION EN BLOQUES CONTROL MOTOR ACIMUT

120

A.2 PROGRAMACION EN BLOQUES CONTROL MOTOR ELEVACION

121

A.3 PROGRAMACION DEL SET POINT

122

A.4 PROGRAMACION DEL CONTROLADOR PI

123

A.5 CÁLCULO DEL N-ESIMO DIA

124

A.6 PROGRAMACION DE LA OBTENCION Y SEPARACION DE LAS CADENAS FECHA Y HORA

125

A.7 INTEGRACION DE LA PROGRAMACION DE LA INTERFAZ HOMBRE MAQUINA (HMI)

126

INTEGRACION GRAFICA DE LA INTERFAZ HOMBRE MAQUINA

124

APÉNDICE

B

PLANOS DE DISEÑO

125

B.1 BASE SUPERIOR (EJE ELEVACION)

126

B.2 BASE INFERIOR (EJE ACIMUT)

127