Control y monitoreo de desempeño de sistemas
seguidores solares bajo software embebido
Control and Performance Monitoring of Solar Tracking Systems with Embedded
Software
Marco A. Peñaloza López
#1
, Sergio I. Palomino Resendiz
*2
, Diego A. Flores Hernández
#3
#
Instituto Politécnico Nacional – UPIITA, Av. Instituto Politécnico Nacional 2580, La Laguna Ticoman, Gustavo A.
Madero, 07340 Ciudad de México, México
1
mpenalozal1500@alumno.ipn.mx
3
dfloreshe@ipn.mx
*
Instituto Politécnico Nacional – ESIME Zacatenco, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, Av. Luis Enrique Erro S/N,
Gustavo A. Madero, Zacatenco, Ciudad de México, C.P. 07738, México
2
spalominor@ipn.mx
Abstract— This work shows a procedure through which it is
possible to reduce the complexity of design, implementation,
and tuning of non-conventional controllers for solar tracking
systems. This is achieved by programming an STM32F4-
NUCLEO board using a high-level language. This is made
possible through the use of embedded software (Waijung
toolbox) that enables access to the functions and blocks of
Matlab-Simulink for the automatic generation and download of
C code into STM32F4 microcontrollers. Additionally, the
resulting configuration allows the processing resources of a
computer to be easily and practically utilized, facilitating a
Hardware-in-the-Loop scheme. As a result, the computer can be
used as a monitoring and configuration interface, as well as a
server for database storage. To validate the proposal, the
development procedure and performance tests conducted with
an existing solar tracker are presented.
Keywords: solar tracker; Waijung; STM32F4; control strategy;
monitoring and configuration interface.
Resumen— Este trabajo muestra un procedimiento a través
del cual es posible reducir la complejidad de diseño,
implementación y ajuste de controladores no convencionales
para sistemas seguidores solares. Lo anterior a través de la
programación de una tarjeta STM32F4-NUCLEO en un
lenguaje de alto nivel. Esto es posible gracias al uso de un
software embebido (toolbox Waijung) que permite disponer de
las funciones y bloques pertenecientes a Matlab-Simulink para
la generación y descarga automática de código C en
microcontroladores de la familia STM32F4. Adicionalmente, la
configuración resultante logra disponer de forma fácil y
práctica los recursos de procesamiento de una computadora
propiciando un esquema de tipo Hardware in the Loop. Por lo
que, la computadora puede visualizarse como una interfaz de
monitoreo y configuración, así como un servidor para
almacenamiento de base de datos. Para validar la propuesta se
presenta el procedimiento de desarrollo y pruebas de
funcionamiento realizadas con un seguidor solar existente.
Palabras clave: seguidor solar; Waijung; STM32F4; estrategia
de control; interfaz de monitoreo y configuración.
I. INTRODUCCIÓN
En los últimos años los avances en el uso de la tecnología
para el aprovechamiento de la energía solar han alcanzado
importantes mejoras en lo que respecta a la disminución de los
costos de manufactura y al incremento en la eficiencia de los
dispositivos para captación y conversión de la irradiancia
solar [1]. Esto, aunado a la creciente demanda mundial de
energía y a la necesidad de utilizar fuentes sostenibles ha
extendido rápidamente el uso de paneles fotovoltaicos (PV)
tanto a nivel doméstico como a gran escala. Sin embargo, es
importante mencionar que existen algunas problemáticas
asociadas al uso de PV que usualmente pueden llegar a pasar
desapercibidas. En primera instancia la tecnología
fotovoltaica convencional alcanza una eficiencia de
transformación de energía que apenas supera el 20%, esto
considerado que se satisfacen las condiciones mínimas de
operación, es decir, un cielo soleado y despejado y una
incidencia directa de los rayos solares sobre la superficie del
PV. No obstante, en la realidad, la producción de energía
eléctrica de un PV se ve disminuida por factores como una
mala orientación, condiciones climáticas y contaminación, ya
sea en instalaciones domésticas, o bien, en los denominados
campos solares. Por lo que, para estos casos, la satisfacción de
la demanda de energía se consigue a través de la instalación
de grandes superficies de captación, lo que se refleja en un uso
masivo de PV [2], [3]. Estos eventualmente deberán ser
sustituidos al concluir su tiempo vida, el cual es de
aproximadamente 25 años. Con esto en mente, puede
entenderse que el impacto ambiental asociado a los PV se
centra en su potencial como fuente de desechos. Teniendo en
cuenta que actualmente se puede reciclar aproximadamente el
88% de los materiales que componen un PV, se estima que
para el año 2050 se generarán alrededor de 80 millones de
toneladas de desechos directamente relacionados con estos
dispositivos [4]. Es importante mencionar que esta
problemática se ve acentuada por la carencia de una
regulación formal asociada al procedimiento de desecho y
reciclaje de los PV [5]. Adicionalmente, también debe
considerarse que las centrales de energía fotovoltaica
requieren superficies que van desde las 100 hasta las 500
Recibido: 29/09/24; Aceptado: 05/04/25
https://doi.org/10.37537/rev.elektron.9.1.199.2025
Experimental Method
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hectáreas, lo que implica una modificación significativa del
entorno natural [6].
Lo anterior, ha dado lugar a una nueva área de oportunidad
dedicada al desarrollo de seguidores solares (SS), los cuales
son dispositivos electromecánicos cuyo objetivo es garantizar
la orientación de una superficie de interés de forma normal al
Sol en el desarrollo de cada día, compensando constantemente
los cambios en su posición aparente. La importancia de los SS
radica en que permiten mantener la producción energética de
un PV en un régimen alto, lo cual se consigue apuntando su
superficie directamente hacia el Sol con un margen de error
acotado entre para tecnología fotovoltaica convencional.
Adicionalmente, los SS también permiten incluir a los
dispositivos ópticos (lentes y espejos) para la transformación
de la energía solar en térmica ya que, a diferencia de los PV,
el seguimiento de la trayectoria solar para estos dispositivos
es imprescindible para su correcto funcionamiento.
Los SS se clasifican en función de los ejes o grados de
libertad (GDL) con que cuentan. Los de un solo eje son
capaces de compensar los cambios en la posición aparente del
Sol ocasionados por el movimiento de rotación de la Tierra,
sin embargo, para reproducir completamente la trayectoria
solar a lo largo de todo un año se deben contemplar las
variaciones estacionales derivadas del movimiento de
traslación y del ángulo de inclinación con respecto a la
eclíptica, para lo cual se utilizan los SS de 2 ejes. Por otro
lado, también puede realizarse una clasificación considerando
la forma en que se realiza el seguimiento de la trayectoria [7].
En este sentido se identifican 5 tipos de seguimiento: activo,
cronológico, pasivo, semipasivo y manual. Sin embargo, para
este trabajo en particular, resultan de mayor interés el
seguimiento activo y el cronológico ya que en ambos casos es
necesario el uso de un controlador encargado de gestionar el
adecuado desempeño de la tarea de seguimiento solar ya sea
mediante una estrategia de control en lazo cerrado
(seguimiento activo) o mediante el uso de algoritmos para el
cálculo de la trayectoria solar en un esquema de control de
lazo abierto (seguimiento cronológico).
II. CONTROL DE SEGUIDORES SOLARES
A. Dispositivos para el control de seguidores solares
El seguimiento solar activo se realiza a través de la
construcción de un lazo de control cerrado, es decir, en el que
existe una retroalimentación a través de sensores que miden
magnitudes físicas directamente relacionadas con la
incidencia de la radiación solar (temperatura, luminosidad,
irradiancia, corriente eléctrica, etc.) y que, además, están
dispuestos en arreglos específicos que permiten generar un
vector de posición angular con respecto al sol (ángulos
acimutal y de elevación). En la literatura se encuentran
diferentes diseños y configuraciones de sensores con este
propósito, por ejemplo, en trabajos como [8], [9] se presentan
arreglos de sensores de luminosidad e incluso en [10] se
utiliza un sensor de visión. No obstante, estos dispositivos
también se ofrecen de forma comercial [11].
Por otro lado, la información de la posición relativa al Sol
proporcionada por los sensores es interpretada por una unidad
de control como un error de seguimiento, a partir del cual se
genera una señal de control que es enviada a los actuadores
(motores eléctricos) con el objetivo de corregir dicho error. La
forma en que se construye la señal de control, así como su
naturaleza, depende directamente de la ley de control que se
utilice, además, está acotada por el tipo de señales que la
unidad de control puede proporcionar y recibir.
Para el caso del seguimiento solar cronológico el
funcionamiento se basa en un lazo de control abierto, el cual
comienza por conocer la posición del Sol a través de métodos
numéricos como el de [12] o el de [13], los cuales utilizan
parámetros de tiempo (fecha y hora) y ubicación geográfica
para calcular la trayectoria solar. Luego, los actuadores son
accionados para orientar la superficie de interés hacia la
posición calculada. Es posible que en este movimiento exista
implícito un lazo de control cerrado para el control de
posición, sin embargo, no existe una forma de determinar si
en efecto se está apuntando al Sol adecuadamente, por lo
tanto, se considera que el sistema es de lazo abierto al menos
en términos de seguimiento solar.
Tanto para el caso del seguimiento solar activo como el
cronológico se requiere una unidad de control que gobierne el
movimiento de los actuadores, ya sea a partir de una ley de
control en lazo cerrado o bien con base en los cálculos fuera
de línea de la trayectoria solar. En la literatura se reportan
diferentes diseños para SS que utilizan como unidad de
control Controladores Lógicos Programables (PLC),
microcontroladores (MC), computadoras de placa única e
incluso computadoras personales [14]. En cada caso las
características del hardware utilizado se definen con base en
las necesidades de la estrategia de control utilizada y de la
aplicación que se busca desarrollar. En este sentido se
considera la compatibilidad con los sensores y actuadores, la
capacidad de procesamiento, los puertos para la
comunicación, la capacidad de memoria, el consumo
energético entre otros.
En [14], [15], [16] se presenta una propuesta de
seguimiento solar activo para SS de dos ejes usando como
unidad de control una placa Arduino, de la cual se utilizan sus
entradas analógicas para recibir la señal de los sensores
utilizados en cada caso para determinar la posición relativa al
Sol. Los controladores desarrollados para estos trabajos son
On-Off, Proporcional Integral Derivativo (PID) y de lógica
difusa (Fuzzy), respectivamente. Por lo tanto, las señales de
control que se generan son del tipo digital para el controlador
On-Off, mientras que los controladores PID y Fuzzy emulan
una señal analógica a través de la Modulación por Ancho de
Pulso (PWM) dado que no es posible obtener una señal
puramente analógica desde la placa Arduino. En [17] se
aborda una propuesta de control de seguimiento de tipo
cronológico, es decir, se construye bajo un esquema de lazo
abierto basado en un reloj de tiempo real y un algoritmo para
el cálculo de la trayectoria solar ejecutado por una placa
Arduino.
El uso de PLC puede encontrarse en trabajos como [18],
[19] donde se tiene un seguimiento solar activo gracias al uso
de fotorresistores como sensores, o bien también hay trabajos
como [20] en el que se calcula la trayectoria solar fuera de
línea y se propone un esquema de control en lazo abierto.
Cabe mencionar que para cualquiera de estos tres trabajos las
entradas y salidas de los PLC son únicamente de tipo digitales,
además, para el seguimiento activo nuevamente se utiliza el
control On-Off. Los MC ajenos a las placas Arduino también
se hacen presentes en trabajos como [21] donde la propuesta
desarrollada opera a través del seguimiento del punto de
máxima potencia (MPPT). Finalmente, en [22] se presenta
una propuesta de control On-Off para seguimiento activo
desarrollada mediante amplificadores operacionales.
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Una revisión sobre el tipo de controladores y tecnología
más utilizada para SS se muestra en [23]. Los resultados, se
centran en una clasificación sobre la implementación de
estrategias de control clásicas y modernas, esto para trabajos
experimentales, así como a nivel simulación. Y, cabe
mencionar que en cada caso se indica el hardware utilizado.
En el trabajo se señala al control On-Off como la estrategia
predominante en tareas de seguimiento de trayectoria solar,
representado el 57.02 % de los casos consultados (ver Fig. 1).
Esto gracias a su simplicidad (en términos de desarrollo,
implementación y configuración) y bajo costo. No obstante,
como se indica en [14], presenta importantes desventajas
relacionadas con su baja precisión e incapacidad para el
rechazo de perturbaciones. En consecuencia, dentro de esta
misma revisión, estrategias más complejas y que presentan un
mejor desempeño en términos de robustez, precisión y
consumo energético como Fuzzy y PID (y sus variantes)
representan el 10.53 % y el 6.14 % de los trabajos consultados,
respectivamente. Finalmente, las estrategias de control
modernas, como las redes neuronales, el regulador cuadrático
lineal, etc., en conjunto figuran con el porcentaje restante
(26.31 %), ya que, a pesar de presentar resultados favorables
(como se reporta en [24]), generalmente demandan un mayor
esfuerzo para su programación y sintonización. Por otro lado,
en lo que refiere a los dispositivos de control para trabajos con
resultados experimentales, ya sea para estrategias de control
clásicas o modernas, se destaca a los MC como una alternativa
importante para el desarrollo de SS, no solo por el amplio uso
que se reporta en la literatura, sino también porque, en
comparación con otras opciones como los PLC, presentan un
desempeño similar, pero con un costo aproximadamente 30 %
menor [25].
Fig. 1. Estrategias de control utilizadas en trabajos de seguimiento de
trayectoria solar, [23].
B. Software embebido
Considerando lo mencionado hasta ahora, puede
entenderse que el uso de MC para el control de SS permite
desarrollar estrategias de control modernas, con un
considerable nivel de complejidad y que presentan un mejor
desempeño en términos de consumo energético y precisión de
seguimiento [24]. Esto sin incrementar innecesariamente el
costo de la implementación. Además, comúnmente los MC,
(incluso de gamma baja) disponen de entradas analógicas y
salidas de tipo PWM, las cuales permiten su integración con
actuadores y sensores que operan con señales de naturaleza
analógica. No obstante, es importante tomar en cuenta que
estos dispositivos usualmente requieren ser programados con
lenguaje estructurado, lo cual puede representar una
complejidad en términos de diseño y desarrollo de software,
especialmente cuando se implementan algoritmos de control
avanzados.
Así, dado lo anterior, las placas de desarrollo con
microcontroladores de la familia STM32F4 se presentan
como una alternativa que merece ser considerada, ya que,
además de cubrir las necesidades y/o requerimientos en
términos de procesamiento, también presentan la ventaja de
poder ser programadas mediante el toolbox Waijung [26]. El
cual, permite disponer de la mayoría de los bloques (y todas
sus capacidades) pertenecientes a operaciones y/o funciones
de Simulink®, y a su vez utilizarlos con fines de
programación en alto nivel. Es decir, sustituye la complejidad
de la escritura y configuración de los algoritmos, por la
distribución de objetos asociados a tareas específicas. No
obstante, es importante mencionar que la programación en
lenguaje de alto nivel de Simulink® es interpretada y
traducida a un código equivalente en lenguaje C antes de ser
descargada hacia el microcontrolador [27]. Debido al toolbox
Waijung, este procedimiento es llevado a cabo de forma
automática y sin la necesidad de realizar configuraciones
especiales, o bien garantizar el desarrollo de procedimientos
intermedios, como los que implica el uso de software
dedicado para estos microcontroladores, como por ejemplo
STM32CubeIDE [28]). Por lo anterior, puede establecerse
que el resultado del proceso conserva cierta equivalencia,
teniendo una diferencia clara en la complejidad y/o el tiempo
destinado para su obtención.
III. USO DE MATLAB-SIMULINK EN EL DISEÑO DE
CONTROLADORES PARA SEGUIDORES SOLARES
A. Análisis de simulación de tipo multicuerpo y diseño de
controlador.
Es bien sabido que el entorno de bloques que ofrece
Matlab-Simulink® [29] es ampliamente utilizado para el
modelado de sistemas y el diseño de controladores de todo
tipo. Hablando específicamente de SS, fácilmente pueden
utilizarse funciones de transferencia o representaciones en
espacio de estados para modelar su dinámica, incluso se
dispone de herramientas como el toolbox Simscape Multibody
Link que permite llevar a cabo un análisis de simulación de
tipo multicuerpo (MBS, del inglés: MultiBody Simulation), en
el cual un SS es representado como un sistema robótico de 1
o 2 GDL. Por otro lado, también se dispone de bloques con
funciones de particular interés para el diseño de controladores,
por ejemplo integradores, derivadores, PID, Fuzzy, redes
neuronales artificiales (RNA), entre otros. Todo esto toma
gran relevancia al utilizar los bloques de Waijung ya que la
extrapolación de un controlador diseñado en el entorno de
simulación de Matlab-Simulink® hacia una implementación
en físico es prácticamente directa puesto que la generación del
código C propio de los microcontroladores de la familia
STM32F4 [30] se obtiene de forma automática al utilizar los
bloques de Waijung. Este procedimiento ha sido reportado en
trabajos como [24] en el cual se comparan 7 estrategias de
control para SS implementadas a nivel simulación con
Matlab-Simulink® y a nivel físico con un SS de dos ejes
controlado con una placa de desarrollo STM32-NUCLEO.
De lo anterior, bajo el desarrollo de un procedimiento
similar, en este trabajo se llevó a cabo una MBS a partir de un
modelo tridimensional del SS creado en SolidWorks® 2020,
el cual, si bien no corresponde exactamente con la
construcción del SS utilizado durante la experimentación, sí
preserva sus características fundamentales, esto es número y
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disposición de juntas, masas, momentos de inercia y, en
general, una geometría similar. Posteriormente se utilizó el
toolbox Simscape Multibody Link para la exportación del
modelo tridimensional a un archivo de tipo “XML”, el cual es
interpretado desde el entorno de Matlab-Simulink® para su
representación como un sistema robótico de 2 GDL con
configuración revoluta-revoluta en cadena cinemática abierta
(para obtener mayor información sobre el procedimiento
descrito consultar [31]). Esto puede observarse en la Fig. 2
donde se muestra el modelo tridimensional del SS de dos ejes
(acimutal y de elevación), así como el diagrama de bloques de
Simulink® resultado de la exportación a través de Simscape
Multibody Link.
Cabe mencionar que deben tomarse en cuenta algunas
consideraciones durante la generación del modelo
tridimensional para que sea interpretado correctamente en el
entorno de Simulink®. Es decir, que su representación como
sistema robótico sea equivalente a la esperada. Por ello, este
modelo en particular es el resultado del ensamble de tres
piezas: Base (marco inercial), Eje acimutal (primera revoluta)
y Eje de elevación (segunda revoluta), cuyo acoplamiento se
realizó especificando como relación de posición la
concentricidad en los puntos donde ocurre el movimiento
característico de una junta tipo revoluta. En otras palabras,
cada acoplamiento especificado con relación de posición
concéntrica es interpretado como una junta de tipo revoluta
por lo que se debe ser cuidadoso con el número de piezas
utilizadas para el ensamble.
Fig. 2. Simulación MBS de un SS de dos ejes en el entorno de Simulink®.
La representación del SS como sistema robótico en
Simulink® admite una serie de configuraciones que permiten
aumentar la proximidad del modelo de movimiento de junta a
la realidad, esto es añadir fuerzas de tipo disipativas, fuerzas
asociadas con resortes y la especificación del punto de
equilibrio. Además, también permite controlar el movimiento
de las juntas a través de entradas de tipo par, así como
monitorear su posición, velocidad y aceleración como salidas.
De esta forma es posible diseñar y probar esquemas de control
a nivel simulación que sean fácilmente extrapolables a la
realidad. En este sentido, la Fig. 2 también muestra la
construcción de una lazo cerrado de control a través de la
adición de un bloque que modela la celda solar y otro
encargado del control de seguimiento de trayectoria. El
primero se modela siguiendo la Eq. (1), la cual expresa la
corriente eléctrica desarrollada por un PV como una función
de su orientación (descompuesta en un ángulo acimutal y uno
de elevación) con respecto a la posición del Sol [32]:
(1)
siendo la irradiancia disponible, la superficie del PV y
una constante de proporcionalidad. Luego, son los
ángulos acimutal y de elevación, respectivamente, y
corresponden a la orientación del PV, mientras que
son los ángulos que describen la posición del Sol (es decir, la
trayectoria de referencia). Por otra parte, cabe mencionar que
por simplicidad en la notación y representan a las
funciones trigonométricas seno y coseno, respectivamente.
Es importante mencionar que en la Fig. 2 el bloque
denominado “Controlador” se compone de un algoritmo
basado en un esquema de optimización denominado
Extremum Seeking Control, el cual introduce al sistema
perturbaciones con naturaleza periódica y oscilatoria, ante las
cuales el sistema responde y ocasiona la convergencia hacía
el punto de máxima potencia eléctrica. Lo anterior, asistido
del funcionamiento de un esquema de control Proporcional-
Integral [32]. Este tipo de algoritmos de control son parte de
un conjunto de técnicas de optimización conocidas como
seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT, del inglés:
Maximum Power Point Tracking). La simulación de este lazo
de control se realizó considerando una posición inicial de la
celda en
y la posición del Sol en
, así como una corriente máxima de ,
obteniéndose la respuesta presentada en la Fig. 3, la cual es
bastante favorable debido a que presenta una rápida
convergencia y una estabilización muy próxima al valor
máximo de corriente eléctrica.
Fig. 3. Simulación de corriente eléctrica del PV.
B. Waijung como medio para la transición del nivel
simulación a la implementación en físico.
A través del análisis de MBS descrito hasta ahora, se
valida el funcionamiento del controlador propuesto para el
seguimiento de la trayectoria solar, por lo que en este punto
resulta adecuado buscar su implementación en un SS físico.
Esto es posible de una forma muy sencilla con el toolbox
Waijung gracias al cual se programa el mismo bloque de
control mostrado en la Fig. 2 en un microcontrolador STM32-
F446RE, mismo que está contenido en una tarjeta de
desarrollo STM32-NUCLEO. Cabe mencionar que aunque
esta es una clara ventaja del uso de Waijung, conlleva una
limitante asociada a la versión de Matlab® con que es
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compatible, en este caso se ha utilizado Matlab® 2021b para
el análisis de MBS, mientras que para el uso con Waijung se
ha optado por Matlab® 2015b. Esto no representa un
problema para el diseño del controlador siempre y cuando este
sea construido con bloques disponibles en ambas versiones.
Por otro lado, para implementar el lazo de control completo
es necesaria la adición en el modelo de Simulink® de bloques
dedicados a la adquisición de señales, generación de salidas
de control, configuración de programación y, opcionalmente,
comunicación a través del protocolo UART. De esta manera
el diagrama de bloques que contiene todo lo descrito hasta
ahora para el control de un SS físico se presenta en la Fig. 4
donde para facilidad de entendimiento se han señalado con
colores las diferentes secciones que lo componen, de las
cuales resultan de particular interés la de “Adquisición de
señales” y la de “Salidas de señales de control para motores”.
Fig. 4. Modelo de Simulink® con bloques de Waijung para la programación
de una tarjeta STM32-NUCLEO dedicada al control de un SS.
En la primera de estas se observa un bloque que permite
realizar la lectura de entradas analógicas ya que está asociado
con un convertidor analógico digital. Estas entradas
corresponden con la medición de irradiancia solar global de
un piranómetro e irradiancia solar directa de un pirheliómetro,
instrumentos de la marca Kipp&Zonen® modelos SHP1-V y
SMP6-V, respectivamente [33]. La conexión de estos
instrumentos (mostrada en la Fig. 5) es bastante sencilla ya
que ambos proporcionan como salida una señal analógica de
voltaje en un intervalo de , la cual puede ser conectada
directamente a la placa de desarrollo, admiten una
alimentación de entre y utilizan la misma
expresión matemática, mostrada en la Eq. (2), para recuperar
el valor de irradiancia a partir de la salida de voltaje [33]:
donde
es irradiancia solar en
y es voltaje en
.
Asimismo, también se tiene la lectura de un sensor de
corriente MAX471, el cual ha sido conectado siguiendo las
especificaciones de su fabricante (ver Fig. 6) [34]. Además,
para este sensor en particular ha sido necesario realizar un
proceso de caracterización utilizando un amperímetro digital
como instrumento patrón, determinando así que presenta el
comportamiento descrito en la Eq. (3):
donde
es la corriente eléctrica desarrollada por el PV en
y
es el valor proporcionado directamente por el bloque
asociado al convertidor analógico digital.
Cada señal analógica recibida pasa por un bloque de
acondicionamiento en el cual se busca eliminar el ruido y
también realizar el escalamiento necesario para recuperar el
dato de cada medición en las unidades correspondientes. Lo
primero se realiza con un filtro pasa bajas de primer orden,
cuyo tiempo de respuesta () se configuró en función de la
dinámica con la que se construye la señal de modulación
(Dither signal) propia del algoritmo de control. Lo anterior
con el objetivo de garantizar la sincronía de eventos o cálculos
computacionales, para mayor detalle consultar [35]. En
específico su valor es , también cabe mencionar que
este valor se relaciona con el tiempo de muestreo en el que se
adquieren y procesan las señales en el microcontrolador. Por
otro lado, las operaciones para el escalamiento corresponden
con las Eq. (2) y (3). El contenido de cada bloque de
acondicionamiento puede observarse en la Fig. 7. Cabe
resaltar que el sensor de corriente es el único que interviene
como retroalimentación para la generación de las señales de
control, ya que los otros dos instrumentos son dedicados solo
al monitoreo.
Fig. 5. Conexión eléctrica del piranómetro y el pirheliómetro.
Fig. 6. Conexión eléctrica del sensor de corriente.
Por otro lado, la sección “Salidas de señales de control
para motores” de la Fig. 4 se establece como la etapa
encargada de convertir las señales del controlador en salidas
que permitan manipular el movimiento de los motores. Para
esto es importante tomar en cuenta que se utilizaron motores
de corriente directa con tensión y corriente nominales de
y 0.25 A, respectivamente, así como un puente H L298D. En
consecuencia el control de cada motor se realizó a través de
dos salidas digitales que determinan el sentido de giro y una
de modulación por ancho de pulso para controlar la velocidad.
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Fig. 7. Acondicionamiento de señales con bloques de Simulink®.
C. Monitoreo y registro de datos para evaluación de
desempeño.
Es muy común que cuando se realiza la implementación
de una propuesta de un SS se deba verificar su adecuado
desempeño a través de la medición de parámetros asociados
con su consumo y producción energética, condiciones de
operación, error de apuntamiento, entre otros. De igual
forma, cuando se realizan pruebas experimentales llegan a
requerirse procesos de calibración y parametrización. Para
cualquiera de estos dos casos resulta de mucha utilidad poder
visualizar en tiempo real las señales implícitas en el
funcionamiento y operación del SS, por ejemplo, lecturas de
sensores y señales de control, o bien también puede optarse
por registrar estas señales en una unidad de memoria para su
posterior análisis. Con esto en mente, nuevamente el
conjunto de bloques de Waijung ofrece una forma rápida y
sencilla tanto para la visualización como para el registro de
señales. Esto se consigue como puede verse en la Fig. 4
donde posterior al acondicionamiento de las señales de la
instrumentación estás son enviadas a través del módulo
UART y el puerto USB a una computadora donde el entorno
de Matlab-Simulink® permite tratarlas como si hubieran
sido generadas durante una simulación. La Fig. 8 muestra
cómo se accede a las señales enviadas por la placa STM32-
NUCLEO desde un modelo de simulación.
Fig. 8. Adquisición de señales de la placa STM32-NUCLEO para su
visualización y registro en el Workspace de Matalb/Simulink.
Cabe mencionar que esta comunicación no está limitada
a la recepción de señales ya que también es posible enviarlas
desde la computadora hacia la tarjeta, lo cual es útil, por
ejemplo, para controlar de forma manual los movimientos del
SS. La frecuencia de envío y recepción de información puede
configurarse a través de los bloques de Waijung, mientras que
la frecuencia de muestro para el registro en el Workspace de
Matlab® se configura directamente en el bloque “To
Workspace” de la Fig. 8.
La selección de una frecuencia de muestreo apropiada es
un aspecto importante para la verificación del desempeño de
un SS, ya que debe ser capaz de capturar la dinámica propia
del sistema. Por ello, se necesita una frecuencia con un valor
de al menos el doble de la frecuencia de señal más alta. En
este caso, el Dither Signal [35], aunque también pueden
tomarse en cuenta algunas posibles perturbaciones a las que el
SS es susceptible. Estas últimas estrechamente relacionadas
con las condiciones climáticas y la irradiancia solar disponible
en cada momento.
Para validar el sistema propuesto, en este trabajo se puso
a prueba su desempeño con fines de gobernar el
funcionamiento de un SS prototipo existente en un periodo
comprendido desde las 8:00 a.m. hasta las 5:00 p.m. del día 6
de febrero de 2024, en las instalaciones del Laboratorio de
Sistemas Dinámicos Aplicados (ubicado en la UPIITA-IPN
en la Ciudad de México) cuyas coordenadas geográficas son:
19.510736° de latitud y -99.125897° de longitud. Cabe
mencionar que las condiciones de este día en particular fueron
predominantemente favorables, es decir, con un cielo soleado
y despejado. Durante la operación del SS se monitorearon y
registraron las mediciones realizadas con el piranómetro, el
pirheliómetro y el sensor de corriente, además, se incluyó un
PV con orientación fija para establecer un punto de
comparativa respecto al cual evaluar el desempeño del SS
(cabe mencionar que la potencia eléctrica desarrollada por el
PV fijo se registró de forma manual y periódica utilizando un
voltímetro y un amperímetro digitales). El PV fijo y el SS
solar utilizados para esta prueba experimental pueden
observarse en la Fig. 9.
De lo anterior, se obtuvieron como resultado las gráficas
que se muestran en la Fig. 10 donde claramente el SS presenta
un mejor desempeño al desarrollar una potencia eléctrica
superior en todo momento, además, al calcular el área bajo
estás curvas se obtiene el total de energía producida, no
obstante, es importante tomar en cuenta la energía consumida
por la tarea de seguimiento, la cual fue cuantificada por un
medidor de consumo.
Fig. 9. PV fijo y SS solar utilizados en pruebas experimentales.
En este sentido, el total de energía disponible que proporciona
el SS se presenta en la Tabla I, donde puede notarse que
incluso después de restar la energía consumida por el SS, este
proporciona un 27% más de energía disponible con respecto
al PV fijo. Este resultado toma relevancia al compararlo con
los conclusiones reportadas en trabajos como [14] donde a
través de un análisis por simulación se estima un incremento
del 37.5 % en la producción anual de energía de un PV fijo
comparado con un SS; en [16] la implementación de una
estrategia de control Fuzzy en un SS de dos ejes entregó un
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incremento del 18.13 % bajo la misma comparativa;
finalmente, en [21] se reporta un incremento que oscila entre
el 28.8 % y 43.6 % en función de la estación del año. Cabe
mencionar que en estos trabajos no se especifica si el resultado
reportado considera o no el consumo energético propio del SS.
Además, también es importante tomar en cuenta que, para
realizar una comparativa completamente justa, el desempeño
de cada propuesta debería evaluarse bajo exactamente las
mismas condiciones de operación y considerando los mismos
criterios de desempeño.
Por otro lado, las mediciones realizadas con el
pirheliómetro y el piranómetro, además de brindar
información sobre la irradiancia disponible, permiten calcular
la eficiencia de los PV utilizados, esto gracias a que la energía
eléctrica producida puede asociarse con la irradiancia solar
global en el caso del PV fijo y con la irradiancia solar directa
para el SS. Lo anterior resulta evidente al mirar la similitud
entre las gráficas de las Fig. 10 y 11. El cálculo de la eficiencia
se realiza considerando que ambos paneles cuentan con una
superficie de
y, por lo tanto, la energía que se
produjo en ambos casos se multiplica por un factor de 5.05
para suponer una superficie de
, de esta manera la
eficiencia es el cociente de los valores de energía (ver Tabla
II) del SS y el pirheliómetro o bien del PV fijo y el
piranómetro. El promedio de ambos resultados arrojó una
eficiencia del 20.39 %.
Finalmente, se realizó una prueba más para evaluar los
efectos de las condiciones climáticas asociadas a un
pronóstico de lluvia en el desempeño de un SS. Esta prueba
corresponde con el día 13 de febrero de 2024 en un horario de
las 12:15 p.m. a la 1:15 p.m. De forma similar a la prueba con
clima soleado y despejado, en este caso se tienen las gráficas
de potencia eléctrica desarrollada en la Fig. 12, mientras que
el resumen de desempeño con valores numéricos se muestra
en la Tabla III, de la cual puede notarse que bajo estas
condiciones la energía disponible proporcionada por el SS es
incluso menor a la del PV fijo.
Fig. 10. Potencia eléctrica desarrollada y cálculo de energía mediante
integración.
TABLA I
RESULTADOS NUMÉRICOS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA
Sistema
Energía
acumulada
Energía
consumida
Energía
disponible
SS
PV Fijo
No aplica
Fig. 11. Irradiancia global y directa y cálculo de energía disponible mediante
integración.
TABLA II
RESULTADOS NUMÉRICOS DE ENERGÍA ACUMULADA CON PIRHELIÓMETRO,
PIRANÓMETRO, SS Y PV
Sistema
Energía [
]
Pirheliómetro
6266
Piranómetro
4393
SS
1263.51
PV fijo
905.97
Fig. 12. Potencia eléctrica desarrollada y cálculo de energía mediante
integración durante condiciones climáticas adversas.
TABLA III
RESULTADOS NUMÉRICOS DE PRODUCCIÓN DE ENERGÍA EN CONDICIONES
CLIMÁTICAS ADVERSAS
Sistema
Energía
acumulada
Energía
consumida
Energía
disponible
SS
PV Fijo
No aplica
IV. CONCLUSIONES
Se expuso a la energía solar como una alternativa
sostenible para la obtención tanto de energía eléctrica como
térmica, sin embargo, al mismo tiempo se presentaron las
problemáticas asociadas con la instalación de superficies de
captación excesivamente grandes, así como a la inexistencia
de una normativa formal para el desecho o reciclaje de los PV.
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Se mostró a los SS como un área de oportunidad que surge
de la necesidad de garantizar las condiciones mínimas de
operación de un PV. Esto resulta en la posibilidad de mantener
altos niveles de producción energética con lo que, al mismo
tiempo, se reduce la superficie de captación necesaria para
satisfacer una demanda energética específica.
Se presentó el uso de MC como una opción con
desempeño y costo aceptable para el control de SS, además,
se hizo énfasis de su uso en la implementación de estrategias
de control con un nivel de complejidad moderado atribuyendo
esta tendencia a la variedad en el tipo de entradas y salidas
disponibles en los MC como una característica común en la
mayoría de ellos. No obstante, también se señaló al uso de
lenguaje estructurado para su programación como un aspecto
a considerar para el desarrollo de estrategias de control
modernas.
Se expuso a las placas de desarrollo con
microcontroladores de la familia STM32F4 como alternativas
con un buen desempeño y que tienen la posibilidad de ser
programadas desde el entorno de Matlab-Simulink®
mediante el toolbox Waijung, lo cual atiende directamente las
complicaciones mencionadas asociadas con el uso de
microcontroladores para el control de SS.
Se logro el desarrollo de una estrategia de control no
convencional par un SS de dos ejes existente. En específico,
el controlador se basa en un esquema de optimización
denominado ESC. Para validar numéricamente su desempeño,
se llevó a cabo una metodología experimental que consta de
dos etapas. La primera corresponde a la realización de pruebas
de seguimiento en entorno de simulación empleando un
modelo de SS equivalente. Lo que permite validar y verificar
su viabilidad, así como establecer configuraciones
funcionales que pueden ser exportadas a la realidad. Y en la
segunda etapa, se tiene la prueba de funcionamiento y
comparación de desempeño de producción de energía
respecto a un sistema con orientación fija. Dando como
resultado un desempeño muy favorable y una disponibilidad
de energía superior en un 27%, esto considerando que se
tienen condiciones de clima soleado y despejado.
Se ejemplificó el uso de los bloques de Waijung dentro del
entorno de Matlab-Simulink® en la implementación de un SS
de dos ejes mostrando el procedimiento para la adquisición,
acondicionamiento, visualización y registro de señales. Esto
con la finalidad de destacar las ventajas que ofrece este
toolbox y, presentándolo como un medio para facilitar la
implementación de estrategias de control convencionales y no
convencionales en SS.
AGRADECIMIENTOS
Esta investigación estuvo parcialmente financiada por el
Instituto Politécnico Nacional – Secretaría de Investigación y
Posgrado (SIP-20251300 y SIP-20250023), y el Consejo
Nacional de Humanidades, Ciencias y Tecnologías
(CONAHCYT Convocatoria Ciencia de Frontera 2023 CF-
2023-I-1635).
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