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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Seguidor de sol. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Hasta ahora, al utilizar paneles solares, nos contentábamos con la dispersión total de la luz solar. Es cierto que se tuvieron en cuenta algunos cambios estacionales, así como la hora del día (orientación en dirección este-oeste). Sin embargo, los paneles solares permanecieron más o menos fijos en la posición de trabajo una vez encontrados. En algunos casos ni siquiera le dimos mucha importancia a esto, aproximadamente exponiendo la batería en dirección al sol. Sin embargo, se sabe por experiencia que las células solares generan la máxima energía sólo cuando están exactamente perpendiculares a la dirección de los rayos del sol, y esto sólo puede ocurrir una vez al día. El resto del tiempo, la eficiencia de las células solares es inferior al 10%. ¿Supongamos que pudieras rastrear la posición del Sol en el cielo? En otras palabras, ¿qué pasaría si girases el panel solar durante el día para que siempre apunte directamente al sol? Con solo cambiar este parámetro, se aumentaría la producción total de las células solares en aproximadamente un 40%, que es casi la mitad de la energía producida. Esto significa que 4 horas de intensidad solar útil se convierten automáticamente en casi 6 horas. Monitorear el sol no es nada difícil. El principio de funcionamiento del dispositivo de seguimiento. El dispositivo de seguimiento consta de dos partes. Uno de ellos combina un mecanismo que acciona el receptor de radiación solar, el otro, un circuito electrónico que controla este mecanismo. Se han desarrollado varios métodos de seguimiento solar. Uno de ellos se basa en montar las células solares sobre un soporte paralelo al eje polar. Es posible que haya oído hablar de dispositivos similares llamados sistemas de seguimiento ecuatorial. Este es un término popular utilizado por los astrónomos. Gracias a la rotación de la Tierra, nos parece que el Sol se mueve por el cielo. Si tuviéramos en cuenta esta rotación de la Tierra, el Sol, en sentido figurado, se "detendría". El sistema de seguimiento ecuatorial funciona de manera similar. Tiene un eje de rotación paralelo al eje polar de la Tierra. Si le coloca células solares y las gira hacia adelante y hacia atrás, obtendrá una imitación de la rotación de la Tierra (Fig. 1). Eje codireccional con el eje de rotación de la Tierra.
El ángulo de inclinación (ángulo polar) está determinado por la ubicación geográfica y corresponde a la latitud del lugar donde está montado el dispositivo. Suponga que vive en un área correspondiente a 40°N. Luego, el eje del dispositivo de seguimiento girará en un ángulo de 40° con respecto al horizonte (en el Polo Norte, es perpendicular a la superficie de la Tierra (Fig. 2).
Girar las células solares hacia el este u oeste alrededor de este eje inclinado simulará el movimiento del sol a través del cielo. Si giramos las células solares con la velocidad angular de rotación de la Tierra, podemos "detener" completamente el Sol. Esta rotación se realiza mediante un sistema seguidor mecánico. Para hacer girar las células solares alrededor de un eje, se necesita un motor. En cualquier momento del movimiento diario del sol, el plano de los paneles solares ahora será perpendicular a la dirección de los rayos solares. La parte electrónica del dispositivo de seguimiento proporciona al mecanismo de accionamiento información sobre la posición del Sol. Mediante comando electrónico, el panel se instala en la dirección deseada. Tan pronto como el sol se mueve hacia el oeste, el controlador electrónico pondrá en marcha el motor eléctrico hasta que se restablezca nuevamente la dirección deseada del panel hacia el sol. Características del rastreador La novedad de nuestro dispositivo de seguimiento radica no sólo en la implementación de la orientación de las células solares hacia el sol, sino también en el hecho de que alimentan el "cerebro" electrónico de control. Esto se logra mediante una combinación única de características estructurales y eléctricas del dispositivo. Consideremos primero las características de diseño del dispositivo, con referencia a la Fig. 3.
La batería solar consta de dos paneles que contienen tres elementos cada uno, conectados en serie y colocados en los planos de una carcasa de plástico transparente. Los paneles están conectados en paralelo. Estos paneles se montan en ángulo recto entre sí. Como resultado, al menos uno de los módulos estará constantemente iluminado por el sol (sujeto a las limitaciones que se describen a continuación). Consideremos primero el caso en el que todo el dispositivo está colocado de modo que la bisectriz del ángulo formado por los paneles esté dirigida exactamente hacia el sol. Además, cada panel está inclinado en un ángulo de 45° con respecto al sol (Fig. 4) y genera energía eléctrica.
Si gira el dispositivo 45° hacia la derecha, el panel derecho quedará paralelo y el panel izquierdo quedará perpendicular a los rayos del sol. Ahora sólo el panel izquierdo genera energía, el panel derecho está inactivo. Giremos el dispositivo otros 45°. La luz continúa incidiendo en el panel izquierdo, pero en un ángulo de 45°. Como antes, el lado derecho no está iluminado y por tanto no genera energía. Puede repetir una rotación similar hacia el lado izquierdo, mientras que el panel derecho generará energía y el panel izquierdo estará inactivo. En cualquier caso, al menos una batería genera electricidad. Dado que los paneles están conectados en paralelo, el dispositivo siempre producirá electricidad. Durante nuestro experimento, el módulo giró 180°. Así, si se fija un dispositivo particular de manera que la unión de los paneles esté orientada hacia el sol del mediodía, la salida de la batería solar siempre generará tensión eléctrica, independientemente de la posición del sol en el cielo. Desde el amanecer hasta el anochecer, una parte del dispositivo estará iluminada por el sol. Genial, pero ¿por qué todo esto? Ahora lo sabrás. Sistema electrónico de seguimiento solar. Para seguir el movimiento del sol a través del cielo, el circuito de control electrónico debe realizar dos funciones. En primer lugar, debe decidir si es necesario realizar un seguimiento. No tiene sentido desperdiciar energía haciendo funcionar un motor eléctrico si no hay suficiente luz solar, como por ejemplo niebla o nubes. ¡Este es el propósito para el cual se necesita el dispositivo anterior en primer lugar! Para comprender el principio de su funcionamiento, recurramos al circuito electrónico que se muestra en la Fig. 3. Centrémonos primero en el relé RL1. Para simplificar la discusión a continuación, supongamos que el transistor Q1 está saturado (conduce) y el transistor Q2 no está presente. El relé RL1 es un elemento de circuito que responde a la corriente que fluye a través de él. El relé tiene una bobina de alambre en la que la energía de la corriente eléctrica se convierte en energía de un campo magnético. La intensidad del campo es directamente proporcional a la intensidad de la corriente que fluye a través de la bobina. Con un aumento de la corriente, llega un momento en el que la intensidad del campo aumenta tanto que la armadura del relé es atraída por el núcleo del devanado y los contactos del relé se cierran. Este momento corresponde al llamado umbral de relevo. Ahora está claro por qué se utiliza el relé para medir la intensidad umbral de la radiación solar mediante células solares. Como recordarás, la corriente de una célula solar depende de la intensidad de la luz. En nuestro circuito, en realidad dos paneles solares están conectados al relé, y hasta que generan una corriente que excede el umbral de disparo, el relé no se enciende. Por tanto, es la cantidad de luz incidente la que determina el umbral de respuesta. Si la corriente es ligeramente menor que el valor mínimo, entonces el circuito no funciona. El relé y la batería solar se seleccionan de forma que el relé se active cuando la intensidad de la luz alcance el 60% del valor máximo. Así se resuelve la primera tarea del sistema de seguimiento: determinar el nivel de intensidad de la radiación solar. Los contactos del relé cerrados encienden el motor eléctrico y el sistema comienza a buscar orientación hacia el sol. Entonces pasamos a la siguiente tarea, es decir, encontrar la orientación exacta de la batería solar con respecto al sol. Para ello, volvamos a los transistores Q1 y Q2. Hay un relé en el circuito colector del transistor Q1. Para encender el relé, es necesario cortocircuitar el transistor Q1. La resistencia /?1 establece la corriente de polarización, que abre el transistor Q1. El transistor Q2 representa un fototransistor, su región de base está iluminada con luz (en los transistores convencionales, se aplica una señal eléctrica a la base). La corriente del colector de un fototransistor es directamente proporcional a la intensidad de la luz. La resistencia R1, además de ajustar la corriente de polarización del transistor Q1, también se utiliza como carga para el transistor Q2. Cuando la base del transistor Q2 no está iluminada, no hay corriente de colector y toda la corriente a través de la resistencia R1 fluye a través de la base, saturando el transistor Q1. A medida que aumenta la iluminación del fototransistor, comienza a fluir la corriente del colector, que fluye solo a través de la resistencia R1. Según la ley de Ohm, un aumento de la corriente a través de una resistencia fija R1 provoca un aumento de la caída de tensión a través de ella. Por tanto, el voltaje en el colector de Q2 también cambia. Cuando este voltaje cae por debajo de 0,7 V, se producirá el fenómeno previsto: el transistor Q1 perderá polarización debido a que necesita al menos 0,7 V para transportar la corriente de base. El transistor Q1 dejará de conducir corriente, el relé RL1 se apagará y sus contactos se abrirán. Este modo de funcionamiento sólo tendrá lugar cuando el transistor Q2 apunte directamente al sol. En este caso, la búsqueda de una orientación exacta hacia el sol finaliza debido a la apertura del circuito de alimentación del motor por los contactos del relé. Ahora el panel solar apunta directamente al sol. Cuando el sol sale del campo de visión del transistor Q2, el transistor Q1 enciende el relé y el mecanismo comienza a moverse nuevamente. Y el sol se reencuentra. La búsqueda se repite muchas veces a medida que el sol recorre el cielo durante el día. Al anochecer, la intensidad de la iluminación disminuye. El panel solar ya no puede generar suficiente energía para alimentar el sistema electrónico y los contactos del relé se abren por última vez. Temprano a la mañana siguiente, el sol ilumina la batería del sistema de seguimiento orientada hacia el este y el funcionamiento del circuito comienza de nuevo. Del mismo modo, los contactos del relé se abren si la iluminación disminuye debido al mal tiempo. Supongamos, por ejemplo, que por la mañana hace buen tiempo y el sistema de seguimiento ha empezado a funcionar. Sin embargo, al mediodía el cielo comenzó a ensombrecerse y la disminución de la iluminación provocó que el sistema de seguimiento dejara de funcionar hasta que el cielo se aclarara nuevamente por la tarde, o tal vez al día siguiente. Siempre que esto suceda, el sistema de seguimiento siempre estará listo para reanudar su funcionamiento. diseño Hacer un dispositivo de seguimiento es bastante sencillo, ya que una parte importante de sus piezas está hecha de vidrio orgánico. Sin embargo, un punto muy importante es coincidir con las características de los paneles solares y los relés. Es necesario seleccionar elementos que generen una corriente de 80 mA a la máxima intensidad de radiación solar. La selección se puede realizar mediante pruebas. Para ello, este probador es muy adecuado. Descubrí que las células en forma de media luna producen una corriente promedio de aproximadamente 80 mA. Por eso, de todos los tipos de elementos que hay a la venta, yo utilicé estos elementos para mi dispositivo. Ambos paneles solares tienen un diseño similar. Cada uno contiene tres elementos conectados en serie y sujetos a placas de plexiglás de 10x10 cm2. Los elementos estarán constantemente expuestos al medio ambiente, por lo que se deben prever medidas de protección para los mismos. Sería bueno hacer lo siguiente. Coloque la batería completa sobre una placa de plexiglás colocada sobre una superficie metálica plana. Cubra la parte superior de la batería con una capa relativamente gruesa (0,05-0,1 mm) de película Mylar. Calienta bien la estructura resultante con un soplete para que las piezas de plástico se derritan y se suelden. Al mismo tiempo, ten cuidado. Si coloca una placa de plexiglás sobre una superficie que no es lo suficientemente plana o si se sobrecalienta, puede deformarse. Todo debe ser parecido a preparar un sándwich de queso asado.
Cuando termine, verifique que el sello esté seguro, especialmente alrededor de los bordes de las células solares. Es posible que tengas que doblar ligeramente los bordes del Dacron mientras aún está caliente. Después de que los paneles se hayan enfriado lo suficiente, péguelos como se muestra en la Fig. 5 y conéctelos en paralelo. No olvide soldar los cables a las baterías antes de ensamblar el dispositivo. Cerebro electronico El siguiente elemento de diseño importante es el relé. En la práctica, el relé es una bobina enrollada alrededor de un pequeño contacto de láminas. El devanado del relé consta de 420 vueltas de alambre de cobre esmaltado No. 36 enrollado alrededor de un marco lo suficientemente pequeño como para caber en el contacto de lengüeta con interferencia. Usé una pajita de cóctel como marco. Si tocas los extremos de la pajita con la hoja de un cuchillo caliente, se formarán mejillas en el marco, evitando que el devanado se deslice sobre los bordes. La impedancia del devanado debe ser de 20 a 30 ohmios. Inserte el interruptor de láminas en el marco y fíjelo con una gota de pegamento. Luego conecte el transistor Q1 y la resistencia R1 al relé. Sin conectar el transistor Q2, aplique energía desde las células solares y verifique el funcionamiento del circuito. Si todo funciona correctamente, el relé debería dispararse cuando la intensidad de la luz solar sea aproximadamente del 60% de la intensidad total. Para ello, basta con cubrir el 40% de la superficie de las células solares con un material opaco, como por ejemplo cartón. Dependiendo de la calidad del interruptor de láminas, pueden producirse algunas desviaciones del valor ideal. Es aceptable iniciar el relé con una intensidad de luz del 50-75% del valor máximo posible. Por otro lado, si no cumple con estos límites, deberá cambiar el número de vueltas del devanado del relé o la corriente del panel solar. El número de vueltas del devanado del relé se debe cambiar de acuerdo con la siguiente regla. Si el relé funciona antes, se debe reducir el número de vueltas; si es más tarde, aumentar. Si desea experimentar cambiando la corriente del panel solar, conéctele una resistencia en derivación. Ahora conecte el fototransistor Q2 al circuito. Debe colocarse en un estuche hermético a la luz, de lo contrario no funcionará correctamente. Para ello, tome un tubo de cobre o aluminio de unos 2,5 cm de largo y con un diámetro correspondiente al diámetro de la carcasa del transistor. Un extremo del tubo debe aplanarse de modo que quede un espacio de 0,8 mm de ancho. Conecte el tubo al transistor. El circuito de control terminado, que contiene los elementos Q1, Q2, R1 y RL1, se llena con caucho líquido con el propósito de sellar. Del dispositivo salen cuatro accionamientos: dos de los contactos de relé y dos de los paneles solares. Para verter caucho líquido se utiliza un formulario hecho de papel grueso (como una postal). Para hacerlo con una hoja de papel, envuelva un lápiz y asegure el papel para que no se despliegue. Después de que se haya secado la capa de polímero alrededor del diagrama, retire el formulario de papel.
Trabajar con el dispositivo Operar el dispositivo de seguimiento es bastante sencillo. Primero, monte un mecanismo de seguimiento sencillo. Monte su batería en un eje giratorio. Puede conectar la batería a un marco adecuado y luego unir el marco a la tubería mediante fricción o rodamientos. Luego instale un motor con una caja de cambios para girar el marco alrededor de su eje. Esto puede hacerse de muchas maneras. Dado que el relé solo realiza funciones de encendido y apagado en el circuito electrónico, es necesario contar con elementos que conmuten el voltaje de rotación del motor eléctrico. Esto requiere interruptores de límite ubicados en las posiciones extremas del marco. Están conectados según el diagrama que se muestra en la Fig. 6. El interruptor de límite No. 1 está incluido en la fig. 6 es incorrecto. Para garantizar el correcto funcionamiento del circuito, los terminales del interruptor de límite deben conectarse en paralelo a los contactos del relé RL1, conectados en serie con el relé.
Se puede ver en la figura que se trata de un circuito de interruptor de polaridad simple: cuando se aplica energía, el motor eléctrico comienza a girar. La dirección de su rotación depende de la polaridad de la fuente de energía. En el momento de la alimentación, el relé de conmutación de polaridad RL1 no funciona porque el circuito de alimentación de su devanado está interrumpido por contactos normalmente abiertos. El motor eléctrico hace girar el marco hacia el interruptor de límite No. 1. Este interruptor está ubicado de manera que el marco descanse contra él solo en la posición extrema de su rotación. El autor designa igualmente varios relés en los diagramas de las Figuras 3 y 6. Para evitar confusiones en el futuro, el relé RL1 en la Figura 3 se denomina relé de láminas del sistema de seguimiento y sus contactos en la Figura 6 se denominan contactos de láminas. El relé RL1 en la Fig. 6 es más potente que un interruptor de láminas, con tres grupos de contactos de conmutación. Cuando se cierra este interruptor, se activa el relé RL1, que cambia la polaridad de la tensión de alimentación al motor eléctrico, y este último comienza a girar en sentido contrario. Aunque el contacto final n.° 1 se abre nuevamente, el relé permanece encendido debido a que sus contactos están cerrados. Cuando se presiona el marco en el interruptor de límite No. 2, el circuito de alimentación del relé RL1 se abre y el relé se apaga. El sentido de giro del motor se invierte de nuevo y el seguimiento del cielo continúa. El ciclo es interrumpido únicamente por el relé de láminas RL 1 del circuito de seguimiento solar, que controla el circuito de potencia del motor eléctrico. Sin embargo, el relé RL 1 es un dispositivo de baja corriente y no puede cambiar directamente la corriente del motor. Así, el relé de láminas conmuta el relé auxiliar que controla el motor eléctrico, como se muestra en la fig. 6. Los paneles solares del sistema de seguimiento deben ubicarse cerca del mecanismo de rotación. El ángulo de su inclinación debe coincidir con el ángulo de inclinación del eje polar y la unión de las baterías debe estar dirigida hacia el sol del mediodía. El módulo electrónico está conectado directamente al dispositivo de rotación. Oriente la ranura de la cubierta del fototransistor paralela al eje polar. Esto tiene en cuenta los cambios estacionales en la posición del sol sobre el horizonte. Autor: Byers T.
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Comentarios sobre el artículo: Gaias Patrón completamente incomprensible. ¿Dónde están los "ojos" en el diagrama de cableado?
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