1. Ciencia

SISTEMA DE ALIMENTACION DE ENERGÍAS RENOVABLES PARA
DESPLAZAMIENTO DE VEHICULO
JUAN PABLO ARÉVALO MOLINA
RUBÉN DARÍO ORTÍZ JIMÉNEZ
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2013
SISTEMA DE ALIMENTACION DE ENERGÍAS RENOVABLES PARA
DESPLAZAMIENTO DE VEHICULO
JUAN PABLO ARÉVALO MOLINA CÓDIGO 1801242
RUBÉN DARÍO ORTÍZ JIMÉNEZ CÓDIGO 1801093
Informe de Investigación realizado para optar al título de Ingeniero en
Mecatrónica
Director:
Ing. OLGA LUCIA RAMOS SANDOVAL. Ms.c
Co-Director:
Ing. DARÍO AMAYA HURTADO. Ph.D
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
FACULTAD DE INGENIERÍA
INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ D.C
2013
i
NOTA DE ACEPTACIÓN
Informe final de investigación del proyecto titulado
Sistema de alimentación de energías renovables
para desplazamiento de vehículo, aprobado por el
Comité de Grado en cumplimiento de los requisitos
exigidos por la Universidad Militar Nueva Granada
para optar al título de Ingeniero en Mecatrónica.
____________________________________
Director.
____________________________________
Co-Director
_____________________________________
Firma Jurado 1
_____________________________________
Firma Jurado 2
_____________________________________
Firma Jurado 3
BOGOTÁ - Noviembre de 2013
ii
DEDICATORIA
A nuestros padres por su dedicación, apoyo y enseñanzas a través de toda
nuestra vida, a nuestros hermanos por su ánimo en cada momento, a nuestras
familias por el apoyo incondicional que nos brindaron durante el transcurso de
la carrera y a todas aquellas personas que permitieron brindarnos sus ánimos
en cada una de las etapas de nuestras vidas.
iii
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar a Dios por ser una guía en cada paso de nuestras vidas.
A nuestras familias por ser quienes nos enseñaron los valores con los cuales
vivimos cada día.
A nuestros compañeros y profesores quienes nos brindaron el conocimiento
enriquecedor para nuestra formación profesional.
A nuestra apreciada profesora, Olga Lucia, por su orientación, su apoyo y
disposición en cada uno de los aspectos de nuestro proyecto.
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Primer vehículo solar construido…………………………….……..…..4
Figura 2: Primavera, vehiculo solar EAFIT-EPM…………….…………………..5
Figura 3: Prototipo final, Universidad Distrital de Colombia…….………………6
Figura 4: Sistema de almacenamiento y funcionamiento del vehiculo…..…....6
Figura 5: Interconexión de celdas solares integradas en un Módulo
Fotovoltaico……………………………………………………………………………7
Figura 6: Instalación Solar Fotovoltaica Híbrida…………………………...….....8
Figura 7: Paneles solares y sus principales componentes..……….……..……10
Figura 8: Efecto del viento sobre un generador eólico…………….……………12
Figura 9: Modelo utilizado para los estudios del viento…………..……………..13
Figura 10: Foto tomada a la placa de control que se utilizó Placa Arduino
Uno………………………………………………………………………………...…..16
Figura 11: Diseño CAD del vehículo fotovoltaico………..………………...…….18
Figura 12: Vehículo solar terminado………………………………………….......20
Figura 13: Tiempo vs voltaje en la bacteria con incidencia de luz solar………23
Figura 14: Tiempo vs voltaje en la bacteria sin incidencia de luz solar……….24
Figura 15: Tiempo vs voltaje en la bacteria con incidencia de luz solar y apoyo
de la turbina………………………………………………………….………….…....25
Figura 16: Tiempo vs voltaje en la bacteria sin incidencia de luz solar y apoyo
de la turbina…………………………………………………….…………………....26
Figura 17: Tiempo vs voltaje en la batería con incidencia de luz solar y apoyo
de energía mecánica………………………………………….………………….....27
Figura 18: Tiempo vs voltaje en la batería sin incidencia de luz solar y apoyo
de energía mecánica……………………………….…………………………..…..28
Figura 19: Tiempo vs voltaje en la batería con incidencia de luz solar y apoyo
de energía mecánica y eólica………..……………………………………….…...29
Figura 20: Tiempo vs voltaje en la batería sin incidencia de luz solar y apoyo
de energía mecánica y eólica…..……………………………………………........30
Figura 21: Tiempo vs voltaje en la batería con incidencia de luz solar e
implementación del control….…..……………………………………………........31
v
Figura 22: Tiempo vs voltaje en la batería sin incidencia de luz solar e
implementación del control……..…………………………………………….......32
vi
LISTA DE ANEXOS
Anexo 1: Diseño estructura mecánica vehículo…..………………….…...38
Anexo 2: Fotos de protótipo construído………..…..………………….…...39
vii
Contenido
Resumen .....................................................................................................................................ix
Abstract ......................................................................................................................................ix
INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................1
Justificación.................................................................................................................................1
Objetivos .....................................................................................................................................2
Objetivo general ........................................................................................................................ 2
Objetivos específicos ................................................................................................................ 2
Alcance........................................................................................................................................3
1.
MARCO TEORICO.............................................................................................................4
1.1 Estado del Arte ....................................................................................................................4
1.3 Marco Conceptual ...............................................................................................................9
2.
INGENIERIA DEL PROYECTO......................................................................................14
2.1 Diseño electrónico .............................................................................................................14
2.2 Diseño mecánico ...............................................................................................................18
2.3 Proceso de Implementación ...............................................................................................19
2.4 Proceso de integración .......................................................................................................20
3
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES ............22
RESULTADOS .........................................................................................................................22
3.1 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar. ........................................22
3.2 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar. ........................................23
3.3 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con apoyo de energía
eólica. ........................................................................................................................................24
3.4 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con apoyo de energía
eólica. ........................................................................................................................................25
3.5 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con ayuda de energía
mecánica....................................................................................................................................26
3.6 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con apoyo de energía
mecánica....................................................................................................................................27
3.7 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con apoyo de energía
eólica y mecánica. .....................................................................................................................28
3.8 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con apoyo de energía
eólica y mecánica. .....................................................................................................................29
3.9 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar y control incorporado ....30
3.10 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar e implementación del
control. ......................................................................................................................................31
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................33
REFERENCIAS ........................................................................................................................35
ANEXOS...................................................................................................................................38
viii
Resumen
El estudio e investigación de energías renovables lleva a las personas a
cuestionarse sobre las ventajas de utilizar dichas energías, por lo cual este
proyecto permite utilizar las energías anteriormente mencionadas para lograr una
aplicación útil, permitiendo a un prototipo realizar un movimiento fluido y controlar
dicho movimiento dependiendo del nivel de energía almacenado en el sistema
diseñado para este fin.
Este trabajo presenta el diseño, desarrollo, implementación de un vehículo
alimentado por energía solar, compuesto de un sistema de almacenamiento
energético. En este trabajo se hace un diseño mecánico de el prototipo en el
software SolidWorks, se realiza un diseño electrónico que permitirá utilizar este
casco mecánico para convertir todo en un prototipo funcional que logre una
velocidad necesaria para producir energía utilizando los sistemas de
regeneración puestos en el prototipo.
Este prototipo funcional contiene un sistema de almacenamiento de energía
capaz de suministrar este recurso a dos motores para producir el movimiento de
una estructura por un tiempo determinado. Teniendo en cuenta la incidencia de
la luz solar, la carga y descarga de la batería que será el suministro de energía
para la estructura.
De igual manera se presenta el diseño mecánico del vehículo, la forma y
métodos utilizados para la construcción del mismo, la forma en como los
sistemas de alimentación alternos funcionan y un sistema de control que
determina la velocidad del vehículo dependiendo de el nivel de batería censado
por una placa de control. Se encuentran de igual modo las pruebas realizadas al
prototipo al terminar su construcción y los resultados que estas arrojaron para
poder así concluir sobre el comportamiento del mismo.
Abstract
This paper presents the design, construction, implementation and testing of a
solar-powered vehicle, which contains an energy storage system capable of
delivering this resource to two engines to produce movement of a structure for a
given time, taking into account the incidence of sunlight, the charging and
discharging of the battery which is the power supply for the structure. Likewise
shows the mechanical design of the vehicle, the shape and construction
methods thereof, the way in alternate power systems operate and a control
system which determines the speed of the vehicle depending on the battery
level counted by a control board. They are likewise the prototype tests at the
end of construction and these yielded results and to conclude on the behavior of
the same.
ix
INTRODUCCIÓN
Las energías renovables se han convertido cada vez más en un tema de
especial tratamiento, dados los cuestionamientos que se hace la humanidad
acerca de la forma en la que se utiliza la energía diariamente. Teniendo en
cuenta que la energía que posee el planeta es finita, se debe pensar en que
una fuente de energía renovable y sostenible es la única forma en la que se
pueden garantizar recursos energéticos limpios y evitar así una catástrofe
ambiental [15].
Actualmente se desarrollan proyectos o trabajos investigativos que pretenden
encontrar el uso adecuado de energías renovables como la energía solar,
eólica, térmica y demás energías conocidas, esto propone un cambio
alternativo en campos donde la implementación de este tipo de sistemas puede
apoyar sectores como la agricultura, vivienda, salud, movilización entre otros,
logrando apoyar la economía ofreciendo una alternativa energética junto con el
cuidado del medio ambiente [1],[2],[16],[17].
Dadas las características que se pueden obtener al utilizar este tipo de
energías, en el campo de la ingeniería en Colombia, se aplican diferentes
métodos como la utilización de energía solar, eólica, termica y demás, para la
investigación y desarrollo de proyectos motivando la utilización de energías
renovables y promoviendo en Colombia la utilización de herramientas de bajo
costo [18]. Este tipo de desarrollos se presentan como una solución viable para
la diversificación de la canasta energética del país [20].
El objetivo de este trabajo es diseñar y construir un prototipo a escala, funcional
y autosuficiente, que se presente como una alternativa, utilizando energías
renovables, para este caso solar y eólica, para el desplazamiento de un
vehículo promoviendo su efectividad y uso para posteriores trabajos
investigativos.
El presente documento contiene cuatro capítulos, en la primera parte se
encuentra el marco teórico y la revisión documental del proyecto. El capítulo
dos, presenta los diseños y desarrollos del proyecto. En el capítulo final se
ilustran las pruebas y resultados obtenidos.
Justificación
La demanda actual que existe en cuanto al uso de energías renovables va en
crecimiento gracias a que éstas serán uno de los pilares en el desarrollo social
y económico en todos los países, dado que los combustibles fósiles se están
acabando, esto generando la necesidad de investigar y crear nuevas
herramientas y recursos los cuales permitan mejorar la calidad de vida de la
1
población y el medio ambiente del planeta [6]. Esta clase de tecnologías
permiten ahorrar recursos naturales generando menos gases de efecto
invernadero como lo afirma el artículo de Energía renovable basada en el
sistema Small Hybrid Power para aplicaciones de desalinización en lugares
remotos de R. Nagaraj el cual habla de la importancia de la utilización de
energías renovables y el gran potencial que tienen, por ejemplo energía solar,
energía eólica, o energía hidráulica. La energía abundante disponible en la
naturaleza puede ser aprovechada y convertida en electricidad de una manera
sostenible, suministrando la energía necesaria para elevar el nivel de vida de
las personas sin acceso a la electricidad. Las ventajas de utilizar fuentes de
energía renovables para la generación de electricidad en zonas remotas son
obvias como la utilización dicha energía para optimizar costos [9]. Esta clase de
tecnologías facilita el cuidado del medio ambiente, por lo anterior mencionado
es importante investigar, profundizar e implementar un tipo de sistema el cual
permita encontrar una alternativa eléctrica para el desplazamiento de un
vehículo mostrando resultados de eficiencia y utilidad energética, por medio de
la energía solar, eólica y mecánica.
Además de intensificar la investigación en los estudiantes de la Universidad
logrando grandes aportes para la comunidad científica, es de gran importancia
para nosotros trabajar en un campo de nuestro gusto y alcanzar el objetivo de
opción de grado elevando nuestras alternativas en el mercado industrial o
educativo. Dejando además un gran activo para que los estudiantes próximos a
terminar, puedan seguir trabajando en este campo tan amplio dejando nuevos
avances que en poco tiempo puedan llegar a terminar en una presentación
internacional trayendo grandes reconocimientos para la Universidad.
Objetivos
Objetivo general

Diseñar e implementar un sistema de alimentación, basado en el concepto
de energías renovables, para aplicarlo en el desplazamiento de un vehículo
a escala. Mostrando la eficiencia de la energía solar, eólica y de generación
mecánica.
Objetivos específicos



Dimensionar un sistema de alimentación basado en energía solar, para
alimentar un vehículo a escala.
Diseñar e implementar un sistema de alimentación eólica para apoyar la
alimentación solar de un vehículo a escala.
Diseñar e implementar un sistema de alimentación, basado en la generación
2


mecánica, que permita apoyar la alimentación de un vehículo a escala.
Realizar un estudio de la eficiencia de los sistemas de alimentación, solar,
eólico y mecánico, para un vehículo a escala.
Implementar un sistema de control que especifique la intensidad energética
del vehículo, controlando la velocidad de acuerdo con el nivel energético del
vehículo a escala.
Alcance
El presente trabajo describe el proceso de construccion de 2wun vehículo
alimentado por varios sistemas de energías renovables, que es autónomo y
capaz de incentivar el uso de este tipo de tecnologías, para este caso en
particular se cuenta con el apoyo de la energía solar, eólica y mecánica las
cuales se implementan para alimentar y regenerar la energía eléctrica que
necesita el vehículo para su funcionamiento y desplazamiento. También se
implementa un sistema de control proporcional el cual permite al vehículo
desplazarse más rápido cuando su sistema de almacenamiento tenga un nivel
de energia alto o de desplazamiento lento cuando su sistema de
almacenamiento tenga el nivel de energia bajo, esto con el fin de mejorar la
eficiencia y el consumo energético que tenga el vehículo en su funcionamiento,
en el caso que el sistema de almacenamiento se encuentre descargado o este
la ausencia total de las energías utilizadas para el desplazamiento del vehículo.
3
1. MARCO TEORICO
En este capítulo se presentan algunas de las temáticas referidas al desarrollo
de proyectos realizados que tuvieron un alto grado de impacto sobre el uso de
las energías renovables y los diferentes campos de aplicación donde se
pueden encontrar este tipo de energía.
1.1
Estado del Arte
La energía solar es la energía radiante del sol recibida en la tierra. Su
aplicación como fuente de energía se ha visto reflejada en los últimos tiempos,
brindando ventajas como ser renovable y no poseer agentes contaminantes del
medio ambiente. Sin embargo, su principal desventaja se refleja en su baja
potencia y su variabilidad energética. uno de los primeros trabajos en cuanto a
una aplicación que pudiese encontrar una alternativa a temas de movilidad fue
el desarrollado en la universidad de Alabama por el profesor Ed Passerini en
1977 (Figura 1), esta iniciativa fue tomada por el profesor Passerini con el
objetivo de capturar la mayor cantidad posible de energía solar para poder
movilizar un vehículo ligero, este proyecto dio nombre al vehículo solar de la
universidad como “Bluebird”
Figura 1. Bluebird, Primer Vehículo solar
Tomado de: [25] para la construcción de conceptos.
En Colombia los trabajos que comenzaron con la incursión en este campo
fueron aplicaciones para el calentamiento del agua para uso doméstico,
industrial y recreacional (calentamiento de agua para piscinas) y la generación
de electricidad a pequeña escala [2]. Ahora para su aprovechamiento como
4
alternativa eléctrica y como solución de necesidades cotidianas, el ser humano
está incursionando sobre este tema, pues el sol como fuente de energía
renovable ha brillado desde los inicios de la humanidad y se demuestra que
todavía estará ahí en más de 6.000 millones de años, esto indica que sería un
desperdicio no aprovechar esta clase de energía si se encuentra al alcance,
además de apoyar a la recuperación de nuestro medio ambiente dañado por el
uso de las energías no renovables que se usan hoy en día. En muchos países
se han desarrollado proyectos con el fin de aprovechar este tipo de energía, en
Colombia gracias al estudio de entidades meteorológicas como el IDEAM
(Instituto de Estudios Ambientales) la información que es recolectada por cada
una de las estaciones meteorológicas proporcionan los datos meteorológicos
en información energética que permite el estudio de la radiación solar que
existe en ciertas zonas del país [3]. Gracias a este tipo de energía en Colombia
se ha podido desarrollar trabajos como el mencionado en un artículo sobre
tecnología el 16 de abril del presente año de la universidad EAFIT de Medellín
junto con EPM elaborando el primer vehículo solar del país llamado
“Primavera” [19], el cual se puede observar en la figura 2, este vehículo
ofrecerá un aporte a la movilidad sostenible da la ciudad de Medellín y que sea
amigable con el medio ambiente, este mismo se está construyendo bajo la
supervisión de 12 profesionales 30 estudiantes y un docente quienes son el
grupo de trabajo para este proyecto
Figura 2. Primavera, Vehículo solar EAFIT-EPM
Tomado de: [22] para la construcción de conceptos.
Otro trabajo desarrollado en Colombia es el trabajo investigativo titulado Diseño
y fabricación de un vehículo autónomo impulsado por energía solar. [4] En
dicho proyecto se hace el diseño y construcción de un prototipo autónomo
(figura 3), que utiliza los rayos de sol como fuente de energía primaria, posee
un módulo de almacenamiento de energía para proveerlo cuando el prototipo
se encuentre sin posibilidad de recibir luz. Este sistema de almacenamiento es
básicamente una batería almacenadora de energía que provee al automóvil
cuando lo necesite, se puede observar en la (figura 4) el sistema utilizado para
5
el almacenamiento y aprovechamiento de la energía recibida durante un tiempo
dando una autonomía especifica al vehículo y poder evaluar las ventajas de
poder utilizar dicho prototipo en cualquier lugar sin importar si hay o no existe
incidencia directa de luz sobre las placas.
Figura 3. Prototipo final, Universidad Distrital de Colombia
Tomado de: [5] para la construcción de conceptos.
Figura 4. Sistema de almacenamiento y funcionamiento del vehiculo, Carreño.
Tomado de: [5] para la construcción de conceptos.
Para la realización de estos trabajos fue necesaria la adecuada implementación
de la radiación directa que es una de las 3 formas en las cuales se puede
clasificar la radicación solar, esta es aquella que proviene directamente del sol
y alcanza la superficie de la tierra sin ser difundida es decir, sin desviar su
dirección. Este tipo de radiación es la más importante en cuanto a las
aplicaciones fotovoltaicas, ya que se caracteriza por producir sombras bien
definidas de los objetos interpuestos en su trayecto a la superficie terrestre [6].
Al igual que el apropiado sistema que permita la conversión de la radiación
solar en energía eléctrica el cual solo es posible mediante una celda
fotovoltaica, este es un dispositivo electrónico que capta la energía solar
6
(fotones) y la convierte directamente en energía eléctrica (electrones), a través
del fenómeno denominado Efecto Fotovoltaico[7]. Esta emisión de electrones al
ser capturados, produce una corriente eléctrica. La cantidad de electricidad que
puede producir es pequeña, pero al ser interconectadas varias de éstas pueden
producir las corrientes y voltajes necesarios para determinada aplicación. Su
grosor se encuentra entre 0.25mm y 0.35mm, generalmente es de forma
cuadrada, con una superficie aproximada de 100 cm². La potencia típica que
puede suministrar una celda de ésta es de unos 3W [7].
También es necesario la implementación de un Panel Fotovoltaico el cual es el
conjunto de celdas fotovoltaicas, interconectadas eléctricamente para una
capacidad determinada, a si vez estos módulos se conectan en serie, que
según los requerimientos generan valores específicos de voltaje y corriente
como lo muestra la figura 5.
Figura 5. Interconexión de celdas solares integradas en un Módulo
Fotovoltaico
Tomado de: [23] para la construcción de conceptos.
De igual manera se escoge el tipo de instalación más adecuado para la
aplicación requerida, en este caso la mejor opción es el de una instalación
Hibrida pues en este tipo de instalación se combinan distintas fuentes de
generación eléctrica y son muy adecuadas para la electrificación [8]. Las
tecnologías modulares son la solar y eólica y la variación estacional del sol y el
viento, se complementan entre sí, teniendo en cuenta que cuando el
aprovechamiento del sol se reduce, y es ahí cuando el viento sopla más fuerte
[8]. Aquí el uso de la energía eólica no fue necesario pero se puede
implementar de igual manera como lo muestra la figura 6 para una mayor
optimización del sistema empleado.
7
Figura 6. Instalación Solar Fotovoltaica Híbrida
Tomado de: [24] para la construcción de conceptos.
Teniendo en cuenta el tipo de instalación se considera el tipo de batería solar
que ser requiere esta debe estar en la capacidad de sostener corrientes
moderadas durante varias horas y en muchas implementaciones, los valores de
baterías más comerciales son de 6V y 12V nominales [9]. Las baterías de 6V,
con capacidad de 200 Ah, son integradas en sistemas de con bancos de
baterías, para satisfacer las necesidades requeridas. Los sistemas fotovoltaicos
de bajo consumo, requieren de 12 voltios nominales, para satisfacer esta
característica se emplean la versión de batería de 12V, con capacidad de 100
Ah [8]. Para sistemas de alto consumo, son apropiadas las baterías de 250 Ah.
También es importante tener en cuenta aquellas temperaturas que puedan
afectar el almacenamiento de energía en la batería como el tiempo o
condiciones que permiten que la batería sufra una auto-descarga, para
completar este tipo de instalación es necesario un componente importante
como el inversor de corriente este será el que maximizara la producción de
corriente de los módulos fotovoltaicos y optimizara el paso de energía entre el
módulo y la carga. Este dispositivo transforma la corriente directa suministrada
por los Módulos Fotovoltaicos, en corriente alterna AC, para cuando sea
requerida por una carga, mediante dispositivos de conmutación. Al igual que
suben el voltaje de 12V, 24V o 48V VDC a 110 o 220 VAC. El inversor debe ser
dimensionado para alimentar la carga que se quiere conectar [9].
Así mismo hay que tener en cuenta las dimensiones mecánicas y la distribución
de pesos que requiera el diseño mecánico quien será el encargado de llevar
todo el sistema fotovoltaico requerido para su desplazamiento.
8
1.3
Marco Conceptual
La celda solar
La generación de energía eléctrica puede ser aprovechada gracias a la
conversión directa de la luz solar en energía eléctrica que se consigue
mediante el uso de celdas solares, esto debido a un proceso llamado efecto
fotovoltaico (FV) [7]. Para poder explicar cómo funciona efecto, se tomara como
referencia la forma en que se construyen las celdas solares y su
funcionamiento interno que permite la generación de una corriente eléctrica a
partir de la radiación solar que llega a cada uno de las celdas [10].
Las celdas solares poseen una estructura Similar a la de un diodo, por lo cual
los materiales semiconductores son a principal estructura de las mismas,
teniendo el mismo principio de una estructura tipo N y otra de tipo P.
Lo cual logicamente representa conductividad eléctrica, esta indica cuanta
movilidad presentan los electrones dentro de una sustancia específica. Los
electrones que pueden generar una corriente eléctrica en un material son los
que se encuentran en las órbitas exteriores o banda de valencia de los átomos,
que tienen menor fuerza de atracción por parte del núcleo y pueden ser
liberados de la misma al aplicar una diferencia de potencial al material”. [10]
Tipos de celdas solares FV
Existen varios tipos de celdas solares que se encuentran se fabrican y se
encuentran en el mercado y las cuales ofrecen características especiales
según su campo de utilización y costo en materiales algunas de las que más se
encuentran son las siguientes.
Celda de silicio mono cristalino
“Al enfriarse, el silicio fundido se solidifica formando solo un único cristal de
grandes dimensiones. Luego se corta el cristal en delgadas capas que dan
lugar a las células. Estas células generalmente son un azul uniforme.” [11]
Celda de silicio multi-cristalino
“Una
celda
fotovoltaica
basada
en
silicio
multi-cristalino.
Durante el enfriamiento de silicio en un molde se forman varios cristales. La
fotocélula es de aspecto azulado, pero no es uniforme, se distinguen diferentes
colores creados por los diferentes cristales.”[11]
9
Celda Tándem
“Apilamiento monolítico de dos células individuales. Mediante la combinación
de dos células (capa delgada de silicio amorfo sobre silicio cristalino, por
ejemplo) que absorben en el espectro al mismo tiempo se solapan, mejorando
el rendimiento en comparación con las células individuales separadas, sean
amorfas, cristalinas o micro-cristalinas.” [11]
Paneles solares FV
Los paneles solares se conforman por la unión de dos o varias celdas solares
las cuales están protegías por impactos, intemperie y corrosión. En la figura 7
se muestra la imagen de un panel solar conformado por varios grupos de
celdas solares y sus componentes principales.
Figura 7. Paneles solares y sus principales Componentes
Tomado de: [12] para la construcción de conceptos.
Como lo muestra la anterior figura se puede identificar que las celdas están
cubiertas por elementos que le dan protección frente a los problemas externos
que pueden afectar a la celda además de la necesaria firmeza para unirse a las
estructuras que los soportan. Los siguientes son algunos de los elementos
presentes en una celda solar:
“Encapsulante: Material que protege las celdas dentro del panel, debe
presentar un índice elevado de transmisión de la radiación y baja degradación
por efecto de los rayos solares.
Cubierta exterior de vidrio templado: Permite que el panel resista condiciones
climatológicas adversas y maximiza la transmisión luminosa, debe soportar
cambios bruscos de temperatura.
10
Cubierta posterior: Constituida normalmente por varias capas opacas que
reflejan la luz que ha pasado entre las células, haciendo que vuelva a incidir
otra vez sobre éstas.
Marco de metal: Se construye generalmente de aluminio lo que asegura rigidez
y estanqueidad al conjunto. En él se encuentran mecanismos que permiten el
montaje del panel sobre la estructura de soporte.
Caja de terminales: Incorpora los bornes para la conexión del módulo.
Diodo de protección: Impide daños por sombras parciales en la superficie del
panel” [13].
Energía Eólica
“La generación de energía eólica proviene del aprovechamiento del viento, que
es un efecto indirecto de la energía que genera el sol. La energía que llega a la
Tierra no se distribuye uniformemente debido a las variadas características de
las superficies sobre las que incide (especialmente masas de agua y
continentes) y a la diferente inclinación respecto al sol de los diferentes puntos
de la esfera terrestre. Esto origina unas diferencias de temperaturas en la
atmósfera, que al tender a igualarse generan corrientes de aire.
Este efecto ha sido aprovechado utilizando una tecnología únicamente
mecánica desde tiempos pasados para moler grano o mover el agua.
Actualmente la tecnología empleada para aprovechar la energía del viento
transforma la energía mecánica en eléctrica permitiendo cualquier uso de la
misma.” [14]
Impacto ambiental
Se deben considerar en este tipo de instalaciones los impactos provocados por
los molinos, las estructuras de mantenimiento, equipo eléctrico asociado y por
las líneas eléctricas. En muchos casos los efectos provocados por estos
elementos son más dañinos para el medio ambiente que los derivados de los
aerogeneradores, en la figura 8 podemos observar cómo se aprovecha el
efecto del viento para generar energía.
11
Figura 8. Efecto del viento sobre un generador eólico
Tomado de: [14] para la construcción de conceptos.
Generadores eólicos
“El sistema modelo utilizado para los estudios del viento y la estabilidad de un
parque eólico híbrido se muestra en la figura 8. En este sistema modelo que se
encuentra en el parque eólico de chile alrededor de 1,5 MW DFIG entran en los
generadores de viento los cuales son conectados a la red local de 25 kV y son
distribuidos de la subestación a través de varios transformadores y un cable de
10 km bajo tierra. 1 MW que siempre se encuentra fijo en los generadores de
viento esta conectados a la misma subestación (B25) a través de los
transformadores y 5 km de cable subterráneo. Asimismo, los bancos de
condensadores, C-bank, se instalan en los terminales de los generadores
eólicos de velocidad fija de forma que las máquinas de inducción operan cerca
del factor de potencia bajo condición de estado estacionario. La subestación
B25 está conectado a la red principal a través de 30 km de línea aérea de
transmisión y un transformador de 120 kV. La red principal está representado
por su Equivalente de Thevenin del circuito, es decir, una tensión Vs fuente
ideal en serie con la impedancia Zs” [15].
12
Figura 9. Modelo utilizado para los estudios del viento y la estabilidad de un
parque eólico híbrido
Tomado de: [21] para la construcción de conceptos.
13
2. INGENIERIA DEL PROYECTO
En este capítulo encontraremos en forma detallada el diseño y construcción del
prototipo para el desplazamiento de un vehículo por medio de energías
renovables. El capítulo se divide en 4 subcapítulos, diseño electrónico, diseño
mecánico, construcción e integración.
2.1 Diseño electrónico
Para realizar un diseño electrónico que cumpla con el objetivo de poder
almacenar energía suficiente para que el sistema se comporte de forma óptima,
el primer ítem a tener en cuenta son las especificaciones de los componentes
que ofrece el mercado. Al revisar un poco las características de los
componentes necesarios y las diferentes características vistas en el mercado
se puede tener una idea del alcance y optimo desempeño del vehículo a
construir.
2.1.1 Sistema Fotovoltaico
Todas las fórmulas que encontraremos a continuación pueden ser encontradas
en el libro “Diseño de un sistema fotovoltaico para una comunidad” [26].
Para el diseño del sistema fotovoltaico se parte por conocer las
especificaciones de los motores con los que contamos para realizar un sistema
que aproveche un movimiento óptimo sobre el vehículo, los 2 motores tienen
características de 12 voltios y 7 amperios/hora cada uno, con esta información
y utilizando la formula (1) podemos encontrar el consumo energético por día
que puede presentarse en el vehículo.
𝐶𝑑𝑐
𝐶𝑎𝑐
𝐶𝑡 = ( ) + (
)
𝑅𝑔
𝑅𝑔 . 𝑅𝑖𝑛𝑣
(1)
Donde:
𝐶𝑡
𝐶𝑑𝑐
𝐶𝑎𝑐
𝑅𝑔
𝑅𝑖𝑛𝑣
Es el consumo total en Wh/día
Es el consumo en corriente continua en Wh/día
Es el consumo en corriente alterna en Wh/día
Es la eficiencia en carga descarga de una batería (dato fabricante)
Es la eficiencia del inversor si se utiliza corriente alterna (dato fabricante)
En principio para hacer un cálculo aproximado del consumo total se puede
considerar un 𝑅𝑔 = 95%, como no tenemos consumo en energía alterna
descartamos la segunda parte de la suma.
El consumo total que tenemos por el uso de los motores es de 7,37 Wh/día.
14
Con el anterior dato ahora podemos conocer la intensidad necesaria de
producción diaria empleando la formula (3)
𝐶
𝐶𝐴ℎ = 12𝑣 𝑜 24𝑣→𝑑𝑒𝑝𝑒𝑛𝑑𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝑞𝑢𝑒 𝑠𝑒 𝑑𝑒𝑠𝑒𝑒
(2)
Tenemos que la intensidad necesaria 𝐶𝐴ℎ es de 0,615 Ah/día.
Ahora procedemos a calcular el tamaño de batería necesaria para almacenar
energía y que logre cumplir con los requerimientos de consumo energéticos
para eso empleamos la formula (3).
𝐶𝑏 (𝐴ℎ) =
𝐶𝐴ℎ . 𝑁
𝑃𝑏
(3)
Donde:
N son los días de autonomía
𝑃𝑏 Es la profundidad de descarga de la batería
Como una norma general se toma que 𝑃𝑏 = 40% para cualquier batería y
tomando que los días de autonomía N=1 obtenemos un consumo de 1.53 Ah,
esto quiere indicar que necesitaremos una batería con una capacidad mínima
de 1.53 Ah cuanto mayor capacidad mayor será la autonomía.
Finalmente empleando la formula (4) tendremos la información para el número
de páneles necesarios para cumplir con las anteriores características.
𝑁𝑝 =
𝐶𝑡
(𝑊𝑝𝑝 . 𝐻𝑠𝑝𝑏 . 𝑃𝑐 )
(4)
Donde:
𝑊𝑝𝑝 Es la potencia pico que produce un panel esta varía según el fabricante se
supone esta de 50W
𝐻𝑠𝑝𝑏 Es el valor medio de radiación en kW/𝑚2 para el mes más desfavorable
del año según la región, para Colombia es el mes de enero con un 𝐻𝑠𝑝𝑏 = 3,17
𝑃𝑐 Es la perdida por cableado aproximado de 4%.
Reemplazando los anteriores valores tenemos que 𝑁𝑝 = 1.
Gracias a todos los anteriores datos se logró seleccionar un panel solar de 50w
voltaje 12VDC, corriente 4100mA, voltaje máximo 17.2VDC y dimensiones de
54 X 83,2 cm. Se selecciona una batería con acido que nos brinda en su salida
12 voltios a 7.2 amperios/hora. Junto con la batería y las especificaciones
15
anteriores de los motores se escoge un controlador encargado de proporcionar
la potencia necesaria a los motores dependiendo de la frecuencia de PWM
prevista por el controlador y poder así obtener el movimiento deseado del
vehículo.
El controlador a utilizar será una placa Arduino Uno como se muestra en la
figura, capaz de censar el nivel de carga de la batería procesar dicha señal y
crear la frecuencia de PWM adecuada para controlar la velocidad de giro de los
motores, dicho proceso para generar la mayor estabilidad y autonomía al
prototipo, moderando la energía de consumo de los motores y permitiendo así
alargar los tiempos de descarga de batería.
Figura 10. Placa Arduino Uno.
Tomado de: Foto tomada a la placa de control que se utilizó.
2.1.2 Sistema Eólico
Para el diseño del sistema eólico se debe tener en cuenta el viento que llega a
las hélices de un sistema aerogenerador, este se basa en que el viento que
llega al mismo tiene una energía cinética por unidad de tiempo expresada en la
formula (5) [27].
𝑑𝐸𝑐 1 𝑑𝑚 2
=
𝑣
𝑑𝑡
2 𝑑𝑡
(5)
Donde:
V Es la velocidad del viento
𝑑𝑚
Es el caudal máximo equivalente a la fórmula (6) [27].
𝑑𝑡
𝑑𝑚
𝑑𝑉𝑜𝑙
𝑑𝑥
=𝑝
= 𝑝𝐴
= 𝑝𝐴𝑣
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑡
16
(6)
Donde:
P es la densidad del aire.
A es la superficie barrida por las aspas de la hélice
Luego si reemplazamos (6) en (5) tenemos la formula (7) la cual será de ayuda
para encontrar la potencia eléctrica generada representada por la fórmula (8)
[27].
𝑑𝐸𝑐 1
= 𝑝𝐴𝑉 3
𝑑𝑡
2
𝑃𝑒𝑙 = Ƞ
𝑑𝐸𝑐
1
= Ƞ 𝑝𝐴𝑉 3
𝑑𝑡
2
(7)
(8)
Donde:
Ƞ Es la eficiencia del modelo de hélice elegido, lo tomaremos del 40%
Para estos cálculos tenemos en cuenta que la velocidad del viento de una zona
varia con la altura sobre la superficie de la tierra o del mar según la siguiente
formula (9) [27].
𝑉𝐻 = 𝑉ℎ (
ℎ 𝑎
)
10
(9)
Donde:
ℎ Es la altura en la que se encuentra la hélice
𝑉ℎ Es la velocidad a la altura ‘h’
𝑎 Es un exponente que varía según el terreno el cual tomaremos de 0,2
Como La densidad del aire depende del valor diario de la presión y temperatura
de la atmósfera, tomaremos un valor medio de p = 1.25 Kg/𝑚3 , también
tomaremos la superficie de barrida por las hélices de 20cm de diámetro y una
altura de 48cm.
Teniendo en cuenta que la velocidad que logramos medir del viento en Bogotá
gracias a un anemómetro a una altura de 0.48m es de 1.74 m/s, tenemos que
la potencia eléctrica que se genera es de 0.26 W, al ser esta potencia pequeña
los cálculos anteriores que implementamos para la selección de la batería no
17
tendrá ninguna modificación ya que esta apoyara la regeneración de la energía
en la batería a una escala muy pequeña.
El sistema electrónico tendrá como principal fuente de energía un panel solar,
el cual genera una salida dinámica de voltaje y corriente dependiendo de la luz
solar que incida en el mismo, por lo cual se hace necesaria la implementación
de un adaptador de voltaje DC/DC que asegura una salida continua de voltaje a
la batería para garantizar una carga efectiva. Estos dos componentes son una
pieza clave en el sistema a utilizar ya que dependiendo de las características y
funcionamiento de los mismos vamos a poder adquirir y utilizar la energía de
forma eficiente. Este panel debe tener una salida de voltaje y corriente
suficientes para que la carga de la batería se haga en poco tiempo
garantizando así un funcionamiento continuo por varias horas de todo el
sistema lo cual es muy deseable de acuerdo a las pretensiones del proyecto.
Al hacer el ensamble de todos los elementos se tiene un circuito que permite la
carga dinámica de la batería mediante el panel solar, la generación de energía
por medio del viento y la alimentación efectiva de los motores de forma
controlada por la placa Arduino para garantizar un movimiento continuo del
carro con la potencia necesaria para que su movimiento sea fluido.
2.2 Diseño mecánico
Teniendo el diseño del sistema fotovoltaico y conociendo así mismo los
tamaños de los componentes que se escogieron para la implementación se
hace el diseño CAD utilizando el software SolidWorks, de la estructura
completa para lograr verificar los tamaños, cantidad de material a utilizar y el
peso de toda la estructura ya que los motores deben cumplir con la
especificación de torque suficiente para lograr el movimiento del prototipo. En
la siguiente figura se muestra el diseño CAD realizado teniendo en cuenta los
tamaños de los componentes a utilizar:
Figura 11. Diseño CAD del vehículo fotovoltaico, diseño en el software
SolidWorks.
18
Tomada de: Diseño CAD realizado en software SolidWorks
Cabe resaltar que el diseño se hace de forma que los componentes mecánicos
son fáciles de conseguir en el mercado utilizando medidas estándar de anchos
y haciendo un ensamblaje de forma tal que los problemas a afrontar en el
proceso de montaje de todos los componentes sean menores y se lleve a cabo
de forma sencilla la consecución de la estructura.
Este diseño nos permite tener una proyección de cómo se vería el vehículo
cuando se hiciera su construcción, terminado dicho diseño y el ensamblaje de
los componentes a utilizar se hace con este mismo software un cálculo
aproximado del peso final de la estructura, adjudicando a cada componente de
la estructura el material del que está hecho, en este momento del diseño se
debe tener en cuenta el material de la estructura metálica, por lo que se escoge
el aluminio como componente, dadas sus características de peso versus
resistencia logrando así un peso bajo y una resistencia suficiente para que el
vehículo soporte los elementos electrónicos.
Logrando recrear la forma y el diseño final de toda la estructura incluyendo los
componentes electrónicos y su ubicación dentro del prototipo se logra crear un
diseño integral de todo el carro y así poder comenzar la construcción formal del
diseño.
2.3 Proceso de Implementación
Teniendo los diseños tanto mecánico como electrónico comienza el proceso de
construcción e implementación del circuito a utilizar, como primera medida se
hace la construcción de la estructura metálica que soportara el panel y los
demás componentes.
19
Para la construcción de esta estructura se corta el material teniendo en cuenta
las medidas que proporcionan los planos del diseño CAD de cada una de las
piezas, al cortar los trozos de material necesarios se hace la unión lógica de los
mismos por medio de soldadura especial para aluminio logrando unir todos los
componentes, tal cual como lo mostraba el diseño previo y los planos de
construcción generados en el mismo software que el diseño. Como esta
soldadura produce unas protuberancias no deseadas en las uniones se hace
un proceso de pulido de las uniones logrando así un buen aspecto en cada una
de las partes.
Con el chasis del prototipo armado por soldadura según planos se hace una
adecuación de una placa que servirá de base de dimensiones suficientes que
soportara los elementos se utiliza una platina de aluminio unida con remaches
tipo pop, para soportar todos los elementos del diseño electrónico
2.4 Proceso de integración
Teniendo la estructura metálica terminada se hace el montaje de los elementos
electrónicos en la misma y se hacen las conexiones pertinentes para que el
sistema electrónico funcione correctamente, se conecta la batería, panel,
regulador y motores necesarias para que el sistema comience su
funcionamiento mediante un botón de encendido, pasando por el controlador y
driver de potencia.
El ensamblaje total de la estructura donde están ubicados todos los
componentes electrónicos y mecánicos necesarios para el funcionamiento
puede verse en la siguiente imagen, donde se ve el vehículo terminado antes
de comenzar las pruebas de funcionamiento:
Figura 12. Vehículo solar terminado.
20
Foto tomada por los autores
Se encontró que era muy importante la colocación de estos componentes de
forma tal que se asegure que el centro de masa del prototipo quedara en el
centro de la estructura, ya que al comenzar a funcionar el carro perdía su curso
en poca proporción hacia un costado dependiendo de dónde se ubicara el
mayor peso de componentes.
Conociendo este problema se adecuan los componentes de forma tal que el
vehículo siga una línea recta y asegurando esta característica se procede a
realizar la primera prueba de funcionamiento, la cual dará un resultado de
tiempo, distancia, energía y eficiencia del sistema, donde se hizo un proceso de
evaluación y construcción de tablas de resultados.
Se procede a montar en el vehículo los dos sistemas diseñados para generar
una energía que se pueda volver a utilizar en el sistema de acuerdo a el
movimiento del mismo, obteniendo el voltaje de salida de un sistema eólico y
de generación mecánica colocados al prototipo para realizar la segunda prueba
de funcionamiento y poder conocer las diferencias entre los dos sistemas
utilizados.
21
3 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES
En este capítulo se muestran los resultados de diferentes pruebas
experimentales que se realizaron para medir los parámetros de eficiencia
energética bajo las siguientes condiciones.










Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar.
Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar.
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar con
apoyo de energía eólica.
Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar con apoyo
de energía eólica.
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar con
apoyo de energía mecánica.
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar con
apoyo de energía mecánica.
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de la luz solar con
apoyo de energía eólica y mecánica.
Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de la luz solar con
apoyo de energía eólica y mecánica.
Descarga en la batería con apoyo de luz solar con control incorporado.
Descarga en la batería sin apoyo de luz solar con control incorporado.
RESULTADOS
3.1 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar.
Para medir la descarga de la batería se realiza un recorrido sobre un terreno
uniforme durante una hora tomando registros de voltaje en la misma cada 2.5
minutos. En la gráfica 1 se muestran los resultados.
22
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
UTILIZANDO LUZ SOLAR
VOLTAJE EN LA BATERIA
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
Figura 13: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar del ambiente.
Con estos datos se puede ver un comportamiento de carga y descarga
dinámica de la batería dependiendo de la intensidad de la luz recibida y el
voltaje que consumen los motores en su recorrido de igual manera se comporta
el consumo de voltaje de en los motores donde se observa un cambio
dependiendo de la superficie por la cual transita el carro.
3.2 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión estará la ausencia de incidencia
de la luz sobre el panel ocasionando que no este un suministro de carga en la
batería. En la gráfica 2 se muestran los resultados.
23
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
SIN UTILIZAR LUZ SOLAR
VOLTAJE EN LA BATERIA
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 14: Resultados de la prueba de funcionamiento sin incidencia de luz
solar del ambiente.
Realizando esta segunda prueba nos damos cuenta que la descarga de la
batería es mucho más rápida y podemos ver que después de
aproximadamente 38 minutos de recorrido continuo la batería presenta un
voltaje de 3.9 voltios, muy pequeño incapaz de alimentar los motores para
obtener desplazamiento lo que nos da una conclusión muy importante y es el
tiempo máximo que el carro puede moverse sin adquirir ningún tipo de energía
del ambiente más que la suministrada por la batería, en otras palabras la
autonomía de este vehículo es de 38 minutos de recorrido.
3.3 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con
apoyo de energía eólica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la incidencia de luz
sobre el panel y se presentara un apoyo adicional en la carga de la batería
gracias a la turbina presente en el vehículo. En la gráfica se muestran los
resultados.
24
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
UTILIZANDO LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA EOLICA
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
Figura 15: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar y flujo de viento del ambiente.
Con estos datos se puede observar que hay un incremento pequeño en el
voltaje en la batería cargada esto varía según el flujo de viento que esté
recibiendo la turbina esto permite que el vehículo pueda permanecer más
tiempo en funcionamiento durante el recorrido, se debe tener en cuenta que el
incremento es mínimo.
3.4 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con
apoyo de energía eólica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la ausencia de luz solar
solo se apoyará la regeneración de energía en la batería por medio de la
turbina presente en el vehículo. En la gráfica se muestran los resultados.
25
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
SIN UTILIZAR LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA EOLICA
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 16: Resultados de la prueba de funcionamiento sin incidencia de luz
solar y flujo de viento del ambiente.
Con estos datos podemos observar que la descarga que sufre la batería se
reduce un poco comparado con el segundo experimento ya que el apoyo que
realiza la turbina sobre la batería permite que esta tenga un tiempo un poco
mas largo para descargarse, aquí también influye la cantidad de flujo de aire
que este recibiendo la turbina.
3.5 Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con
ayuda de energía mecánica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la incidencia de luz
sobre el panel y apoyo de energía mecánica que pueda generar el vehículo
durante su recorrido. En la gráfica se muestran los resultados.
26
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
UTILIZANDO LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA MECANICA
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
Figura 17: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar y generación de energía mecánica.
Con estos datos podemos observar que el apoyo que hace la generación de
energía mecánica mediante los motores acoplados en el sistema es un poco
inferior que el generado por la turbina pero de igual manera permite que el
vehículo pueda permanecer más tiempo en funcionamiento.
3.6
Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con
apoyo de energía mecánica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la ausencia de luz solar
solo se apoyara la regeneración de energía en la batería por medio de la
energía mecánica que pueda generar el vehículo durante el recorrido. En la
gráfica se muestran los resultados.
27
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
SIN UTILIZAR LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA MECANICA
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 18: Resultados de la prueba de funcionamiento sin incidencia de luz
solar y generación de energía mecánica.
En este punto la descarga de la batería es similar a la del experimento 2 pues
al no haber incidencia de luz solar la velocidad de los motores no permite que
se presente una regeneración en la batería por medio de la energía mecánica
presente en el recorrido.
3.7
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar, con
apoyo de energía eólica y mecánica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la incidencia de luz solar
junto con el apoyo de la regeneración de energía en la batería por medio de la
energía mecánica y la energía eólica presente en la turbina que pueda generar
el vehículo durante el recorrido. En la gráfica se muestran los resultados.
28
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
UTILIZANDO LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA EOLICA Y MECANICA
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
Figura 19: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar, energía eólica y generación de energía mecánica.
Con estos datos nos damos cuenta que el apoyo que tiene la energía eólica y
la energía mecánica es mas grande, aun que no es una energía suficiente
como para cambia drásticamente el comportamiento del vehículo, ya que el
voltaje generado en estos dos sistemas es muy pequeño y depende mucho de
las condiciones del viento y la dirección de incidencia del mismo.
3.8
Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar, con
apoyo de energía eólica y mecánica.
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido y se realizan los
mismos intervalos de tiempo para la toma de registros que se realizó en el
anterior experimento solo que en esta ocasión existirá la ausencia de luz solar
y solo contara con el apoyo de la regeneración de energía en la batería por
medio de la energía mecánica y la energía eólica presente en la turbina que
pueda generar el vehículo durante el recorrido. En la gráfica se muestran los
resultados.
29
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
SIN UTILIZAR LUZ SOLAR Y APOYO DE
ENERGIA EOLICA Y MECANICA
14
12
10
8
6
4
2
0
Figura 20: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar, energía eólica y generación de energía mecánica.
Nos podemos dar cuenta que el cambio en el comportamiento es muy pequeño
ya que la energía que suministran estos sistemas es muy pequeña y no cambia
sustancialmente el comportamiento en el vehiculo.
3.9
Descarga en el tiempo de la batería con incidencia de luz solar y
control incorporado
Para esta prueba se coloca el vehículo en el mismo recorrido que experimentó
en las pruebas anteriores, con la incorporación del control, el cual permitirá un
mayor rendimiento dada la adecuación de voltaje y ciclo de PWM, los
resultados de la prueba se pueden ver en la siguiente figura:
30
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
UTILIZANDO LUZ SOLAR E
IMPLEMENTACION DEL CONTROL
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
Figura 21: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar, incorporación del control y alimentación de los sistemas
complementarios.
Podemos observar el cambio que tiene la curva y la estabilidad de la descarga
ya que el control hace que la descarga sea casi lineal, lo que nos deja ver que
dependiendo de la incidencia de la luz y los demás sistemas es proporcional a
la incidencia de la señal de PWM.
3.10 Descarga en el tiempo de la batería sin incidencia de luz solar e
implementación del control.
En esta prueba se realiza el mismo proceso de la prueba inmediatamente
anterior con el único cambio de que el panel no tiene incidencia de luz solar, en
esta prueba se puede observar la linealidad de la curva de descarga gracias al
control, los resultados se pueden ver en la siguiente figura:
31
13,8
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
0:00
2:30
5:00
7:30
10:00
12:30
15:00
17:30
20:00
22:30
25:00:00
27:30:00
30:00:00
32:30:00
35:00:00
37:30:00
40:00:00
42:30:00
45:00:00
47:30:00
50:00:00
52:30:00
55:00:00
VOLTAJE EN LA BATERIA
TIEMPO VS VOLTAJE EN LA BATERIA
SIN UTILIZAR LUZ SOLAR E
IMPLEMENTACION DEL CONTROL
Figura 22: Resultados de la prueba de funcionamiento con incidencia de luz
solar, incorporación del control y alimentación de los sistemas
complementarios.
Podemos observar que el tiempo de descarga es mucho mas largo al anterior
registrado gracias a la eficacia del control y la forma de la descarga es casi
lineal gracias a la señal PWM de salida del control, teniendo en cuenta la
descarga continua de la batería.
32
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Podemos observar que cuando se aplica la acción de control al sistema
la grafica de funcionamiento se observa linealidad de forma significativa
lo que permite al sistema tener un comportamiento mas estable y así
garantizar su funcionamiento por un mayor tiempo y por la misma razón
mayor distancia.

La descarga de la batería depende en gran medida de la superficie en la
cual se realice el recorrido del vehículo ya que las protuberancias y
baches que experimenta el carro en su andar significan un aumento o
disminución en el voltaje que consumen los motores.

La cantidad de luminosidad que incide sobre el panel solar incurre
directamente en la velocidad de carga de la batería ya que cambia la
capacidad de generar energía y así mismo el tiempo de recorrido del
vehículo.

Escoger de forma adecuada los materiales que se utilizaron para la
construcción es una prenda de garantía para obtener los resultados que
se obtuvieron ya que el bajo peso permite que la energía se conserve y
se logren recorridos largos con buenas características de movimiento.

Realizando las pruebas de funcionamiento se puede concluir que la
autonomía del vehículo al iniciar la prueba partiendo con carga de la
batería completa es de 38 minutos de recorrido lo que equivale a 0,588
kilómetros de trayecto. Teniendo en cuenta que dicha prueba se hace
sin contar con el control y sin los sistemas de realimentación de energía,
comparado al tiempo de 1 hora y 2 minutos utilizando los sistemas
anteriormente mencionados, mejorando en gran medida el tiempo de
recorrido del vehículo.
Es importante conocer el sistema de alimentación de este prototipo para
conocer el adecuado funcionamiento, lo que nos permitirá decidir aspectos si
se requiere hacer un cambio al controlador o cambiar cualquier componente
electrónico de los que se utilizaron en la construcción de este prototipo.
Si se realiza un recorrido prolongado que descargue completamente la batería
del sistema y el vehículo se quede quieto es recomendable apagar el sistema
por un tiempo apropiado para que batería recupere un nivel suficiente para
garantizar un buen funcionamiento y una velocidad adecuada para obtener un
movimiento fluido.
La carga y descarga continua de la batería y el reposo prolongado de la misma
podría causar un deterioro en la misma, lo cual incurriría en perdidas de
33
autonomía a través del tiempo, y perdidas del mismo modo de potencia y
tiempos de recorrido.
34
REFERENCIAS
[1] Ed. Passerini, “Dr. Ed Passerini talks solar car”, University of Alabama new
college, England.
[2]
H. Rodríguez, “Development of solar Energy in Colombia and its
Prospects”, Bogota, Colombia, Rev. Ing. ISSN 0121-4993. 2008.
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Colombia”. Bogotá: INEA (Instituto de Ciencias Nucleares y Energías
Alternativas), 1995, pp. 35, 85-94.
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con_ primavera.php
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fabricación de un vehículo autónomo impulsado por energía solar”. Artículo de
investigación Universidad Distrital de Colombia. Marzo 25 de 2011.
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Jutglar Luís. Energía Solar. Energías Alternativas y Medio Ambiente.
Ediciones CEAC. Barcelona. 2004.
[7] Gasquet Hector. Conversión de la Luz Solar en Energía Eléctrica. Manual
Teórico Práctico sobre los Sistemas Fotovoltaicos. SOLARTRONIC. Pdf.
México 2004.
[8] Roldán Viloria José. Instalaciones Solares Fotovoltaicas. Ediciones
Paraninfo. España.2010
[9] Yro Horikoshi. Análisis de las Componentes Armónicas de los Inversores
Fotovoltaicos de Conexión a Red. Universidad Carlos III de Madrid. Pdf.
España. 2009
[10] Wolfgang Palz. Electricidad solar: Estudio Economico de la Energia Solar,
UNESCO, Editorial Blume 1979.
[11]
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la
página
tel.com/tipos_de_celdas_solares.html.
web
http://www.esco-
[12] Nagaraj, R, Power Electronics (IICPE), 2012 IEEE 5th India International
Conference, Renewable energy based small hybrid power system for
desalination applications in remote locations.
[13] Tomado de la
panels.php?language=es
página
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35
http://www.espana-xx1.com/solar-
[14]
Tomado de la página web de la compañía Sitio Solar, Los paneles
Solares Fotovoltaicos. http://www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicas.htm
[15]
Tomado
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http://www.allpe.com/seccion_detalle.php?idseccion=269
http://3.bp.blogspot.com/-eRXvCdgXZQ/s1600/eolica-ecuador.png
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[16] WWF, ECOFYS, OMA, Informe de la energía renovable, Int 2011
[17] Amado, 1992; Amado P., Blamont D; Solar pumping in India, Nepal and
Mali - socio-sconomic feedback of twelve years experience; Paper presented at
11th EC Photovoltaic Solar Conference, Montreux
[18] Hugh Rudnick Van De Wyngard, Energia eólica, Generación de energía
eólica, universidad católica de chile, 2010
[19] Tomado de la página web de la compañía EPM consultada el mes 6 del
2013
disponible
online
en:
http://www.epm.com.co/site/Home/Institucional/Nuestrasplantas/Energ%C3%A
Da/ParqueE%C3%B3lico.aspx
[20] H. Rodríguez, Situación Energética de la Costa Atlántica. Vol.12 - Energía
Solar, 2ª Edición corregida. Barranquilla: Programa Especial de Energía de la
Costa Atlántica, 1989.
[21] Mohseni, Mansour, Innovative Smart Grid Technologies Asia (ISGT), 2011
IEEE PES
[22] tomado de la página web de la compañía EPM; consultada el mes 3 del
año
2013;
disponible
online
en
http://www.epm.com.co/site/Home/Saladeprensa/Noticiasynovedades/Unveh%
C3%ADculosolarconelsellodeEPMyEAFIT.aspx
[23] Módulo Fotovoltaico tomada de www-rcsb-infor.blogspot.com
[24] Instalación Solar Fotovoltaica Híbrida tomada de www.balner.com/energ
ias/fotovoltaica/insthibridas.htm.
[25] tomado de la página web; consultada el mes 1 del año 2013; disponible
online en esrenovable.blogspot.com.
[26] Carlos Prado, Diseño de sistema fotovoltaico para una comunidad, IE-0502
proyecto eléctrico, ciudad universitaria Rodrigo Facio, 2008.
[27] UCLM, grupo G-9, Física Ambiental Energía Eólica, España 2011.
36
GLOSARIO
MW: Unidad de potencia eléctrica de gran potencia.
DFIG: Referencia a una serie de generadores eólicos, diseñado para que incluya una
multiplicación de 3 etapas acopladas al generador mediante un acoplamiento flexible y
aislado
37
ANEXOS
Como anexos importantes encontráramos:
ANEXO A. DISEÑO CAD DEL VEHICULO
1. El diseño CAD del vehículo visto desde varios puntos para observar la
planeación del prototipo en su totalidad:
Imagen del Diseño en su totalidad y la ubicación de los componentes
electrónicos en el mismo, visión global:
Imagen inferior que muestra la estructura y los detalles a tener en cuenta en la
construcción, puntos de unión y forma angular del metal a utilizar:
Imagen que muestra la dimensión de los componentes electrónicos con
respecto a la estructura metálica:
38
ANEXO B. PROTOTIPO TRERMINADO
2. Fotos del prototipo terminado con el sistema
funcionamiento y realizando la primer prueba:
electrónico
Imagen del vehículo tomada en la primera prueba:
Imagen que muestra el tamaño de los motores anclados a las ruedas:
39
en
Foto que muestra la estructura del panel solar y el tamaño del mismo:
40