Energía Solar: CONCENTRADOR SOLAR CON POSICIONADOR ELECTRÓNICO

CONCENTRADOR SOLAR CON POSICIONADOR ELECTRÓNICO .

Con este proyecto logramos un controlador electrónico de posición confiable para la captación de energía solar, ya sea para la producción de calor o para la generación de energía eléctrica y proponemos un calentador solar para la demostración de su adecuado funcionamiento. El controlador propuesto es un controlador diferencial lumínico que determina la posición relativa de la fuente de luz y por medio de un motor eléctrico, el plano de captación gira para permanecer perpendicular a la fuente de luz.

1. JUSTIFICACION

Un controlador de posición para la captación de energía solar es muy útil, ya que nos provee una optimización en la captación de tan valioso recurso que hasta la fecha no ha sido aprovechado. También llamado seguidor solar, tiene la posibilidad de ser utilizado en instalaciones industriales que tengan algo que ver en la producción energética, ya sea eléctrica o calorífica.

2. CALENTADOR SOLAR

El calentador solar expuesto es un sistema que funciona a base de concentración de luz solar por medio de un plano paraboloide, el cual tiene como ventaja principal la alta temperatura que puede alcanzar.

perfil parabólico para concentrador solar

Figura 1. Reflexión en un plano parabólico.

2.1. Plano paraboloide

En un plano parabólico y en todas sus formas, las líneas que son paralelas al eje del plano y que tocan con el lugar geométrico, por ley de la reflexión, todas esas líneas convergen en el foco[1]. Esto nos dice que todo lo que esta en línea recta de un plano parabólico e intercepta su área, se concentra en el foco de la parabólica, en este caso utilizamos la luz solar.

2.2. Cálculos y diseño del plano:

El calculo del plano paraboloide esta dado por la ecuación general de la parábola que es:

(x-h)2 = 4a(y-k) [Ec. 1]

Como (h, k) es la coordenada del vértice entonces, colocamos en el origen coordenado para tener una referencia en el centro geométrico del plano paraboloide entonces la ecuación queda así:

X2 = 4ay [Ec. 2]

Donde “a” es la distancia focal, es decir, es la distancia que hay del vértice al foco y es elegida para hacer los cálculos, en este caso, para el experimento realizado, es igual a 40 cm. De tal manera que la ecuación particular del plano paraboloide queda así:

Y = x2 /160 [Ec. 3]

Después de dar valores a “x” y calcular sus respectivas “y” se hace una tabla de valores y se grafican sobre un plano de dimensiones reales en centímetros para después poder hacer la gráfica y poder comenzar a formar el plano.

+X Y

10 0.625

20 2.500

30 5.625

40 10.00

50 15.62

60 22.50

Tabla 1. Tabulación de la ecuación del plano (cm.)

3. CALCULOS ENERGÉTICOS

Para Determinar la energía solar que se recibe por metro cuadrado de superficie se obtuvo como referencia la cantidad de energía que llega a la superficie de la atmósfera que el la constante solar que equivale a 1400 joules / seg-metro cuadrado[2].

Esta cantidad de energía es la que llega a la capa superior de ozono en la parte mas alta de nuestra atmósfera y equivale aproximadamente a la energía que requiere un motor de dos caballos de fuerza para funcionar adecuadamente.

El día domingo 16 de mayo aproximadamente a las 2:00 PM el sol estaba a 90º es decir cuando estaba más intensa la energía recibida, se coloco una masa conocida de cobre de 32 gr. con una área de superficie de 11.44 cm2 expuesta directamente a la luz solar, y con un termómetro para monitorear su temperatura a una razón de dos tomas de temperatura por minuto, de donde obtuvimos como dato después de graficar el incremento de temperatura con respecto al tiempo de exposición se sacó un promedio de incremento de 4 ºC por minuto. Y con este dato se puede llegar a calcular la energía intercambiada[3] con la siguiente ecuación:

Q = C M DT [Ec. 4]

Donde:

Q = cantidad de calor en joules

C = calor especifico = 0.390 J/gr. ºC (para el cobre).

M = masa = 32 gr.

DT = incremento de temperatura = 4 ºC/min.

Q = (0.390)(32)(4) = 49.92 joules/min.

Respuesta:

49.92 joules por minuto en el área de 11.44 centímetros cuadrados del cobre y obteniendo la relación, tenemos 727 joules por minuto en un metro cuadrado de exposición solar, en un segundo. Observe que ésta cantidad de energía es aproximadamente la necesaria para que un motor de un caballo de fuerza funcione con la energía proveída por un metro cuadrado de exposición a la luz solar.

El área del plano paraboloide es de 1.14 metros lo que equivale a tener una captación de 829.0909 joules/seg. Mas de un caballo de fuerza !!!

Para darnos una idea de la cantidad de agua que se puede calentar con esa energía se aplica otra vez la ecuación Q = C M DT, y si despejamos la masa y ponemos varios valores de incremento de temperatura se pueden obtener los siguientes valores para temperatura y agua por hora (suponiendo que la toma de entrada sea de 20ºc):

M = Q/(C DT)

M = 2984727.24 j/hr (4.19 j/gr ºC)(DT)

Litros Temp Final DT

35.617 40ºC 20ºC

23.744 50ºC 30ºC

17.808 60ºC 40ºC

14.246 70ºC 50ºC

11.872 80ºC 60ºC

10.176 90ºC 70ºC

9.3720 96ºC 76ºC

Tabla 2. Cantidades logradas en 1 hora.

La tabla 2 nos dice que con la cantidad de energía solar recibida en 1.14 metros cuadrados podemos elevar la temperatura de agua de 20°C a un temperatura final marcada en la tercer casilla la cantidad de litros de la primer casilla.

De esta manera la temperatura de salida del agua se puede controlar regulando el caudal de entrada de agua, lo que nos brinda mas facilidad en la utilización de éste calentador.

4. CONTROL DE POSICION

4.1. Objetivo del control:

Este calentador debe llevar un controlador de posición que se retroalimenta con la posición del sol, de ésta forma, cuando el sol cambie de posición, el controlador deberá detectar el cambio por mínimo que sea y corregirá la posición angular del plano de captación, de lo contrario se tendrán perdidas energéticas.

4.2. Análisis del control:

Primeramente se debe de idear la forma en la cual un sistema electrónico pueda determinar donde se encuentra una fuente luminosa como en este caso lo es el sol por lo tanto lo que vamos a sensar va a ser

una diferencia de intensidad de la luz incidente en dos sensores del mismo tipo separados por una

4.3. Diseño del control:

Para detectar una diferencia de luz, los sensores se escogieron dé tal manera que la resistencia de cada uno sea proporcional a la luz incidente y con este principio se ponen en un puente de weatstone alimentado con + 12 volts para que la salida diferencial sea positiva o negativa con respecto a tierra según sea el sensor con exceso de luz.

El controlador empleado es un controlador proporcional con una ganancia de 2000, lo que aumenta la sensibilidad a los cambios de luz. Los sensores se montan en un puente de weatestone, y el voltaje diferencial resultante lo toma el amplificador[4], la retroalimentación del circuito es por medio de la posición. La etapa de potencia del controlador es por medio de relevadores, uno que se acciona con voltaje positivo, para girar el motor en un sentido, y otros dos que se accionan con voltaje negativo, éstos últimos para invertir la polaridad de

alimentación del motor, de esta manera gira hacia el otro sentido.

La disposición de los sensores se muestra en la figura 2, donde se indica el sentido de giro para alcanzar la misma cantidad de luz en los dos sensores, la figura 3 muestra el diagrama completo del controlador.