SEGUIDOR SOLAR DE DOS EJESINSTITUTO TECNOLGICO DE DURANGO
INSTITUTO TECNOLGICO DE DURANGOREPORTE DE PROYECTO
SEGUIDOR SOLAR DE DOS EJES
Departamento de Ingeniera Elctrica y Electrnica
Erick Alonso Murgua Melndez.
PROYECTO DE APLICACIN REALIZADO EN EL INSTITUTO TECNOLOGICO DE
DURANGO
INDICE1. Antecedentes.3
1.1 Historia de la energa solar.3
1.2 Energa solar.5
1.3 Energa solar fotovoltaica.6
1.4 Aplicaciones de la energa solar fotovoltaica.7
2. Objetivo general.12
3. Marco terico.13
3.1 Seguidor solar.13
3.2 Servomotor.15
3.3 Arduino.21
3.4 Fotorresistencia.25
4. Diseo del proyecto.27
4.1 Cdigo implementado.30
5. Conclusiones y recomendaciones.35
6. Anlisis econmico.36
7. Apndices.38
8. Bibliografa.
39
1. Antecedentes1.1 Historia de la energa solarLa primera
referencia histrica que se puede encontrar al uso de la energa
solar se encuentra en la antigua Grecia con Arqumedes. Durante la
batalla de Siracusa en el siglo III a.C. que enfrent a los romanos
y los griegos, algunos escritos relatan como Arqumedes utiliz unos
espejos hexagonales hechos de bronce para reflejar los rayos
solares concentrndolos en la flota romana con el objetivo de
destruirla.
Espejos de Arqumedes en Siracusa
Muchos siglos ms tarde,Leonardo da Vincitambin pens en el uso
del sol. En el ao 1515 comenz un de sus muchos proyectos, aunque
este sera uno de los que nunca llegara a acabar. Su idea era
construir un concentrador de 6 kilmetros de dimetro a base de
espejos cncavos para la produccin de vapor y calor industrial.A
mediados del siglo XVIII, Georges-Louis Leclerc, conde de Buffon,
fascinado por los relatos de la guerra de Siracusa y los espejos de
Arqumedes, sigui investigando en ese mismo campo. Para comenzar,
utiliz 24 cristales de gafas con los que se percat de que fcilmente
poda conseguir un fuego a 20 metros de distancia encendiendo un
combustible mezcla de brea y polvo de carbn.Entonces decidi
construir un aparato ms ambicioso en el que uni 168 piezas de
cristal 15 de lado, desplazando su objetivo a 50 metros
consiguiendo de nuevo su objetivo. Tras ello, creo su concentrador
de energa solar definitivo con 360 piezas de cristal de 20
centmetros. Experimentando con ello se percat de que si concentraba
120 de los cristales en un combustible a 6 metros de distancia,
este arda inmediatamente. A esa misma distancia, con 45 espejos
poda fundir una tinaja de arcilla y con 117 cristales poda fundir
una viruta de plata.
Mecanismo con 168 piezas de cristal diseado por BuffonPero si
hay alguien que realmente fue importante para el avance de la
energa solar, ese fue Augustin Mouchot, desarrollando en el ao 1868
los primeros sensores solares. Tras ello, seran muchos los que
seguiran sus pasos, siendo especialmente destacables John Ericsson,
que en 1870 dise un colector parablico que se ha seguido usando
durante ms de 100 aos, y Aubrey Eneas, quien fund la primera
empresa de energa solar en 1900, The Solar Motor Co.Pero ninguno de
todos los personajes de la historia de la energa solar fue tan
ambicioso como Frank Schuman. Schuman fund en 1911 su empresa Sun
Power Co, creando su primera planta solar en Tancony, Estados
Unidos, en 1911, generando un total de 20kW. Tras ello, abri su
siguiente planta solar en Maadi, Egipto, en 1912, consiguiendo
generar 88kW.
Reflector parablico de MaadiPero su ambicin no tena lmites, por
lo que luch por conseguir una planta solar capaz de generar toda la
energa consumida por el mundo entero. Para ello, plante construir
en el Sahara 52.600 kilmetros cuadrados de colectores solares para
producir 198MW, lo que hubiera sido el equivalente al consumo de
energa mundial en 1909.Schuman lleg a conseguir una subvencin de
200.000 dlares para comenzar con su proyecto, pero el comienzo de
la primera guerra mundial cambi todo. Sus planes fueron paralizados
automticamente y todos los trabajadores de la planta solar de Maadi
regresaron a Alemania para combatir del lado de Alemania. Schuman
muri durante el transcurso de la guerra, y al final de ella, con la
derrota de Alemania y la prdida de todas las colonias africanas, el
proyecto cay en el olvido.
1.2 Energa solarLa energa solar es una fuente de energa de
origen renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la
radiacin electromagntica procedente del Sol.La radiacin solar que
alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la
Antigedad, mediante diferentes tecnologas que han ido evolucionando
con el tiempo desde su concepcin. En la actualidad, el calor y la
luz del Sol puede aprovecharse por medio de captadores como clulas
fotovoltaicas, helistatos o colectores trmicos, que pueden
transformarla en energa elctrica o trmica. Es una de las llamadas
energas renovables o energas limpias, que pueden ayudar a resolver
algunos de los problemas ms urgentes que afronta la humanidad.1Las
diferentes tecnologas solares se clasifican en pasivas o activas
segn cmo capturan, convierten y distribuyen la energa solar. Las
tecnologas activas incluyen el uso de paneles fotovoltaicos y
colectores trmicos para recolectar la energa. Entre las tcnicas
pasivas, se encuentran diferentes tcnicas enmarcadas en la
arquitectura bioclimtica: la orientacin de los edificios al Sol, la
seleccin de materiales con una masa trmica favorable o que tengan
propiedades para la dispersin de luz, as como el diseo de espacios
mediante ventilacin natural.La fuente de energa solar ms
desarrollada en la actualidad es la energa solar fotovoltaica. Segn
informes de la organizacin ecologista Greenpeace, la energa solar
fotovoltaica podra suministrar electricidad a dos tercios de la
poblacin mundial en 2030.2Actualmente, y gracias a los avances
tecnolgicos, la sofisticacin y la economa de escala, el coste de la
energa solar fotovoltaica se ha reducido de forma constante desde
que se fabricaron las primeras clulas solares comerciales,3
aumentando a su vez la eficiencia, y su coste medio de generacin
elctrica ya es competitivo con las fuentes de energa
convencionales4 en un creciente nmero de regiones geogrficas,
alcanzando la paridad de red.5 6 Otras tecnologas solares, como la
energa solar termoelctrica est reduciendo sus costes tambin de
forma considerable.
1.3 Energa solar fotovoltaicaLa energa solar fotovoltaica es una
fuente de energa que produce electricidad de origen renovable,
obtenida directamente a partir de la radiacin solar mediante un
dispositivo semiconductor denominado clula fotovoltaica, o bien
mediante una deposicin de metales sobre un sustrato denominada
clula solar de pelcula fina.Este tipo de energa se usa para
alimentar innumerables aplicaciones y aparatos autnomos, para
abastecer refugios o viviendas aisladas de la red elctrica y para
producir electricidad a gran escala a travs de redes de
distribucin. Debido a la creciente demanda de energas renovables,
la fabricacin de clulas solares e instalaciones fotovoltaicas ha
avanzado considerablemente en los ltimos aos. Entre los aos 2001 y
2015 se ha producido un crecimiento exponencial de la produccin de
energa fotovoltaica, doblndose aproximadamente cada dos aos. La
potencia total fotovoltaica instalada en el mundo (conectada a red)
ascenda a 7,6 GW en 2007, 16 GW en 2008, 23 GW en 2009, 40 GW en
2010, 70 GW en 2011, 100 GW en 2012 y 140 GW en 2013. A finales de
2014, se haban instalado en todo el mundo cerca de 185 GW de
potencia fotovoltaica.
Celda solar, pieza clave de los sistemas de energa solar
Gracias a ello la energa solar fotovoltaica se ha convertido en
la tercera fuente de energa renovable ms importante en trminos de
capacidad instalada a nivel global, despus de las energas
hidroelctrica y elica, y supone ya una fraccin significativa del
mix elctrico en la Unin Europea, cubriendo de media el 3% de la
demanda de electricidad y alcanzando el 6% en los perodos de mayor
produccin. En algunos pases, como Alemania, Italia o Espaa, alcanza
mximos superiores al 10%, al igual que en algunos estados soleados
de Estados Unidos, como California. La produccin anual de energa
elctrica generada por la fotovoltaica a nivel mundial equivala en
2014 a cerca de 160 Tera vatios-hora (TWh), suficiente para
abastecer las necesidades energticas de ms de 30 millones de
hogares, cubriendo un 0,85% de la demanda mundial de
electricidad.
1.4 Aplicaciones de la energa solar fotovoltaica
Repetidor de telecomunicaciones alimentado mediante paneles
solares. En lugares de difcil acceso, la energa fotovoltaica
permite abastecer energa elctrica de forma prctica y
competitiva.
Parqumetroabastecido mediante energa solar fotovoltaica, en
Edimburgo,Reino Unido.
Calculadora solar bsicaSharp.
Refugio de montaa alimentado mediante energa fotovoltaica, en el
Parque nacional de Aigestortes y Lago de San Mauricio(Pirineos,
Espaa).
La produccin industrial a gran escala de paneles fotovoltaicos
despeg en la dcada de 1980, y entre sus mltiples usos se pueden
destacar:
Telecomunicaciones y sealizacinLa energa solar fotovoltaica es
ideal para aplicaciones de telecomunicaciones, entre las que se
encuentran por ejemplo las centrales locales
detelefona,antenasderadioytelevisin, estaciones repetidoras
demicroondasy otros tipos de enlaces de comunicacin electrnicos.
Esto es debido a que, en la mayora de las aplicaciones de
telecomunicaciones, se utilizan bateras de almacenamiento y la
instalacin elctrica se realiza normalmente en corriente(DC). En
terrenos accidentados y montaosos, las seales de radio y televisin
pueden verse interferidas o reflejadas debido al terreno ondulado.
En estos emplazamientos, se instalan transmisores de baja potencia
(LPT) para recibir y retransmitir la seal entre la poblacin
local.Las clulas fotovoltaicas tambin se utilizan para alimentar
sistemas de comunicaciones deemergencia, por ejemplo en los postes
deSOS(Telfonos de emergencia) en carreteras,sealizacin
ferroviaria,balizamientopara proteccin aeronutica, estaciones
meteorolgicas o sistemas de vigilancia de datos ambientales y
decalidad del agua.Electrificacin ruralEn entornos aislados, donde
se requiere poca potencia elctrica y el acceso a la red es difcil,
las placas fotovoltaicas se emplean como alternativaeconmicamente
viabledesde hace dcadas. Para comprender la importancia de esta
posibilidad, conviene tener en cuenta que aproximadamente una
cuarta parte de la poblacin mundial todava no tiene acceso a la
energa elctrica.En los pases en desarrollo, muchospueblosse
encuentran situados en reas remotas, a varios kilmetros de la red
elctrica ms prxima. Debido a ello, se est incorporando la energa
fotovoltaica de forma creciente para proporcionar suministro
elctrico a viviendas o instalaciones mdicas en reas rurales. Por
ejemplo, en lugares remotos deIndiaun programa de iluminacin rural
ha provisto iluminacin mediantelmparas LEDalimentadas con energa
solar para sustituir a las lmparas de queroseno. El precio de las
lmparas solares era aproximadamente el mismo que el coste del
suministro de queroseno durante unos pocos meses.Cubay otros pases
de Latinoamrica estn trabajando para proporcionar energa
fotovoltaica en zonas alejadas del suministro de energa elctrica
convencional.Estas son reas en las que los beneficios sociales y
econmicos para la poblacin local ofrecen una excelente razn para
instalar paneles fotovoltaicos, aunque normalmente este tipo de
iniciativas se han visto relegadas a puntuales esfuerzos
humanitarios. Sistemas de bombeo
Los sistemas debombeo fotovoltaico pueden utilizarse para
proporcionar agua en sistemas de riego,agua potableen comunidades
aisladas o abrevaderos para el ganado.Tambin se emplea la
fotovoltaica para alimentar instalaciones debombeopara sistemas de
riego,agua potableen reas rurales y abrevaderos para el ganado,o
para sistemas dedesalinizacinde agua. Los sistemas de bombeo
fotovoltaico (al igual que los alimentados medianteenerga elica)
son muy tiles all donde no es posible acceder a la red general de
electricidad o bien supone un precio prohibitivo. Su coste es
generalmente ms econmico debido a sus menores costes de operacin y
mantenimiento, y presentan un menor impacto ambiental que los
sistemas de bombeo alimentados mediantemotores de combustin
interna, que tienen adems una menor fiabilidad.Las bombas
utilizadas pueden ser tanto de corriente alterna (AC) como
corriente continua (DC). Normalmente se emplean motores de
corriente continua para pequeas y medianas aplicaciones de hasta 3
kW de potencia, mientras que para aplicaciones ms grandes se
utilizan motores de corriente alterna acoplados a uninversorque
transforma para su uso la corriente continua procedente de los
paneles fotovoltaicos. Esto permite dimensionar sistemas desde 0,15
kW hasta ms de 55 kW de potencia, que pueden ser empleados para
abastecer complejos sistemas de irrigacin o almacenamiento de
agua.
Fotovoltaica integrada en edificios
Marquesina solar
Muchas instalaciones fotovoltaicas se encuentran a menudo
situadas en los edificios: normalmente se sitan sobre un tejado ya
existente, o bien se integran en elementos de la propia estructura
del edificio, como tragaluces, claraboyas o
fachadas.Alternativamente, un sistema fotovoltaico tambin puede ser
emplazado fsicamente separado del edificio, pero conectado a la
instalacin elctrica del mismo para suministrar energa. En 2010, ms
del 80% de los 9000MW de fotovoltaica que Alemania tena en
funcionamiento por entonces, se haban instalado sobre tejados.La
fotovoltaica integrada en edificios (BIPV, en sus siglas en ingls)
se est incorporando de forma cada vez ms creciente como fuente de
energa elctrica principal o secundaria en los nuevos edificios
domsticos e industriales, e incluso en otros elementos
arquitectnicos, como por ejemplo puentes. Las tejas con clulas
fotovoltaicas integradas son tambin bastante comunes en este tipo
de integracin.Segn un estudio publicado en 2011, el uso de imgenes
trmicas ha demostrado que los paneles solares, siempre que exista
una brecha abierta por la que el aire pueda circular entre los
paneles y el techo, proporcionan un efecto de refrigeracin pasiva
en los edificios durante el da y adems ayudan a mantener el calor
acumulado durante la noche.Fotovoltaica de conexin a redUna de las
principales aplicaciones de la energa solar fotovoltaica ms
desarrollada en los ltimos aos, consiste en las centrales
conectadas a red para suministro elctrico,as como los sistemas
deautoconsumo fotovoltaico, de potencia generalmente menor, pero
igualmente conectados a la red elctrica.
2. Objetivo generalEl objetivo general buscado en la realizacin
de este proyecto es el de obtener un prototipo concreto, dinmico y
didctico de un seguidor solar de dos ejes tipo monoposte, el cual
es desarrollado principalmente como base para un cargador solar
dinmico y de igual manera pueda servir de base a diferentes
aplicaciones en el que sea necesario un seguidor solar con las
caractersticas presentadas en este proyecto.
El desarrollo se hace utilizando como base el sistema de
desarrollo Arduino, especficamente con el uso de la tarjeta Arduino
UNO R3, esto, teniendo en cuenta la posibilidad de expansin de este
proyecto tal como el monitoreo por software de la radiacin solar,
trazado de graficas de exposicin luminosa, medicin de lmenes o
intensidad luminosa entre otros. Todo esto sin la alteracin
completa de la circuitera ya que todo cambio o monitoreo es posible
de realizarse a travs del software diseado para este proyecto.
3. Marco terico3.1 Seguidor solarUn seguidor solar es un
dispositivo mecnico capaz de orientar los paneles solares de forma
que stos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos
solares, siguiendo al sol desde el este en la alborada hasta el
oeste en la puesta. Los seguidores solares son usados en todas las
tecnologas de seguimiento solar: FPV, CPV y CSP.Existen de varios
tipos: En dos ejes (2x): la superficie se mantiene siempre
perpendicular al sol. Existen de dos tipos:Mono poste: un nico
apoyo central.Carrusel: varios apoyos distribuidos a lo largo de
una superficie circular. En un eje polar (1xp): la superficie gira
sobre un eje orientado al sur e inclinado un ngulo igual a la
latitud. El giro se ajusta para que la normal a la superficie
coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al
Sol. La velocidad de giro es de 15 por hora, como la del reloj. En
un eje azimutal (1xa): la superficie gira sobre un eje vertical, el
ngulo de la superficie es constante e igual a la latitud. El giro
se ajusta para que la normal a la superficie coincida en todo
momento con el meridiano local que contiene al Sol. La velocidad de
giro es variable a lo largo del da. En un eje horizontal (1xh): la
superficie gira en un eje horizontal y orientado en direccin
norte-sur. El giro se ajusta para que la normal a la superficie
coincida en todo momento con el meridiano terrestre que contiene al
Sol.
Funcionamiento del seguidorRentabilidad del seguimiento solarEl
coste y la energa generada dependen del tipo de seguidor.De forma
general, se suele admitir que el seguimiento azimutal recoge de un
10% a un 20% ms que las estructuras fijas.Los seguidores azimutales
pueden llegar hasta el 25%.Entre los distintos seguidores a dos
ejes existen variaciones de entre el 30% y el 45% de incremento de
produccin frente a las instalaciones fijas, as como variaciones
importantes en el coste de los equipos y de las cimentaciones.Los
parmetros ms importantes para comparar los seguidores solares son:
Incremento de produccin de energa Coste del equipo e instalacin del
mismo Resistencia al viento Disponibilidad Mantenibilidad
Seguidor solar de dos ejes.
3.2 ServomotorUn servomotor (tambin llamado Servo) es un
dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la
capacidad de ubicarse en cualquier posicin dentro de su rango de
operacin, y mantenerse estable en dicha posicin. Est conformado por
un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos
se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en
robtica, pero su uso no est limitado a estos. Es posible modificar
un servomotor para obtener un motor de corriente continua que, si
bien ya no tiene la capacidad de control del servo, conserva la
fuerza, velocidad y baja inercia que caracteriza a estos
dispositivos.
Servomotor tpico.
Un servo normal o Standard tiene 3kg por cm. de torque que es
bastante fuerte para su tamao. Tambin potencia proporcional para
cargas mecnicas. Un servo, por consiguiente, no consume mucha
energa.
La corriente que requiere depende del tamao del servo.
Normalmente el fabricante indica cual es la corriente que consume.
Eso no significa mucho si todos los servos van a estar movindose
todo el tiempo. La corriente depende principalmente del par, y
puede exceder un amperio si el servo est enclavado.
Tipos de servomotoresHay tres tipos de
servomotores:-Servomotores de CC.-Servomotores de AC.-Servomotores
de imanes permanentes o Brushless.
Partes de un servomotor
Estructura tpica de un servomotor
Motor de corriente continuaEs el elemento que le brinda
movilidad al servo. Cuando se aplica un potencial a sus dos
terminales, este motor gira en un sentido a su velocidad mxima. Si
el voltaje aplicado sus dos terminales es inverso, el sentido de
giro tambin se invierte. Engranajes reductoresSe encargan de
convertir gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente
continua en torque. Circuito de controlEste circuito es el
encargado del control de la posicin del motor. Recibe los pulsos de
entrada y ubica al motor en su nueva posicin dependiendo de los
pulsos recibidos.
Tiene adems de loscircuitosde control un potencimetro conectado
al eje central del motor. Este potencimetro permite a la circuitera
de control, supervisar el ngulo actual del servo motor. Si el eje
est en el ngulo correcto, entonces el motor est apagado. Si el
circuito chequea que el ngulo no es correcto, el motor volver a
ladireccincorrecta, hasta llegar al ngulo que es correcto. El eje
del servo es capaz de llegar alrededor de los 180 grados.
Normalmente, en algunos llega a los 210 grados, pero vara segn el
fabricante.Un servo normal se usa para controlar
unmovimientoangular de entre 0 y 180 grados. Un servo normal no es
mecnicamente capaz de retornar a su lugar, si hay un mayor peso que
el sugerido por las especificaciones del fabricante.Los
servomotores tienen 3 terminales: Terminal positivo: Recibe
laalimentacindel motor (4 a 8 voltios) Terminal negativo:
Referenciatierradel motor (0 voltios) Entrada de seal: Recibe la
seal de control del motorLoscoloresdel cable de cada terminal varan
con cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es
rojo; el del terminal negativo puede ser marrn o negro; y el del
terminal de entrada de seal suele ser decolorblanco, naranja o
amarillo.
Conexin externa del servomotor.
Funcionamiento de un servomotorLamodulacinpor anchura de pulso,
PWM (Pulse Width Modulation), es una de lossistemasms empleados
para elcontrolde servos. Estesistema consiste en generar una onda
cuadrada en la que se vara eltiempoque el pulso est a nivel alto,
manteniendo el mismo perodo (normalmente), con el objetivode
modificar la posicin del servo segn se desee.
PWM para recorrer todo el rango de operacin del servo
El sistema de control de un servo se limita a indicar en qu
posicin se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de
pulsos tal que la duracin del pulso indica el ngulo de giro del
motor. Cada servo tiene sus mrgenes de operacin, que se
corresponden con el ancho del pulso mximo y mnimo que el servo
entiende.Los valoresms generales se corresponden con pulsos de
entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejaran al motor en ambos
extremos (0 y 180). Elvalor1.5 ms indicara la posicin central o
neutra (90), mientras que otros valores del pulso lo dejan en
posiciones intermedias. Estos valores suelen ser los recomendados,
sin embargo, es posible emplear pulsos menores de 1 ms o mayores de
2 ms, pudindose conseguir ngulos mayores de 180. Si se sobrepasan
loslmitesdemovimientodel servo, ste comenzar a emitir un zumbido,
indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor
limitante es el tope del potencimetro y los lmites mecnicos
constructivos.
Ejemplos deposicionamientode un servomotor
El perodo entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crtico, e
incluso puede ser distinto entre uno y otro pulso. Se suelen
emplear valores ~ 20 ms (entre 10 ms y 30 ms). Si el intervalo
entre pulso y pulso es inferior al mnimo, puede interferir con la
temporizacin interna del servo, causando un zumbido, y la vibracin
del eje de salida. Si es mayor que el mximo, entonces el servo
pasar aestadodormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con
intervalos pequeos.
Periodos entre pulsosA continuacin se puede observar la posicin
del eje de un servomotor segn la anchura del pulso aplicada:
Posibilidad alternativa de pulsos de control
3.3 ArduinoArduino es una plataforma de hardware libre, basada
en una placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo,
diseada para facilitar el uso de la electrnica en proyectos
multidisciplinares.2 3
Arduino UNO revisin 3.
El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel
AVR y puertos de entrada/salida.4 Los microcontroladores ms usados
son el Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y
bajo coste que permiten el desarrollo de mltiples diseos. Por otro
lado el software consiste en un entorno de desarrollo que
implementa el lenguaje de programacin Processing/Wiring y el
cargador de arranque que es ejecutado en la placa.4Desde octubre de
2012, Arduino se usa tambin con microcontroladoras CortexM3 de ARM
de 32 bits, 5 que coexistirn con las ms limitadas, pero tambin
econmicas AVR de 8 bits. ARM y AVR no son plataformas compatibles a
nivel binario, pero se pueden programar con el mismo IDE de Arduino
y hacerse programas que compilen sin cambios en las dos
plataformas. Eso s, las microcontroladoras CortexM3 usan 3,3V, a
diferencia de la mayora de las placas con AVR que generalmente usan
5V. Sin embargo ya anteriormente se lanzaron placas Arduino con
Atmel AVR a 3,3V como la Arduino Fio y existen compatibles de
Arduino Nano y Pro como Meduino en que se puede conmutar el
voltaje.Arduino se puede utilizar para desarrollar objetos
interactivos autnomos o puede ser conectado a software tal como
Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data. Las placas se pueden
montar a mano o adquirirse. El entorno de desarrollo integrado
libre se puede descargar gratuitamente.
Descripcin de la placa Arduino uno.
Arduino puede tomar informacin del entorno a travs de sus
entradas analgicas y digitales, puede controlar luces, motores y
otros actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se
programa mediante el lenguaje de programacin Arduino (basado en
Wiring) y el entorno de desarrollo Arduino (basado en Processing).
Los proyectos hechos con Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de
conectar a un computador.
HistoriaArduino se inici en el ao 2005 como un proyecto para
estudiantes en el Instituto IVREA, en Ivrea (Italia). En ese
tiempo, los estudiantes usaban el microcontrolador BASIC Stamp,
cuyo coste era de 100 dlares estadounidenses, lo que se consideraba
demasiado costoso para ellos. Por aquella poca, uno de los
fundadores de Arduino, Massimo Banzi, daba clases en Ivrea.9El
nombre del proyecto viene del nombre del Bar di Re Arduino (Bar del
Rey Arduino) donde Massimo Banzi pasaba algunas horas. En su
creacin, contribuy el estudiante colombiano Hernando Barragn, quien
desarroll la tarjeta electrnica Wiring, el lenguaje de programacin
y la plataforma de desarrollo.10 Una vez concluida dicha
plataforma, los investigadores trabajaron para hacerlo ms ligero,
ms econmico y disponible para la comunidad de cdigo abierto
(hardware y cdigo abierto). El instituto finalmente cerr sus
puertas, as que los investigadores, entre ellos el espaol David
Cuartielles, promovieron la idea.9 Banzi afirmara aos ms tarde, que
el proyecto nunca surgi como una idea de negocio, sino como una
necesidad de subsistir ante el inminente cierre del Instituto de
diseo Interactivo IVREA. Es decir, que al crear un producto de
hardware abierto, ste no podra ser embargado.Posteriormente, Google
colabor en el desarrollo del Kit Android ADK (Accesory Development
Kit), una placa Arduino capaz de comunicarse directamente con
telfonos mviles inteligentes bajo el sistema operativo Android para
que el telfono controle luces, motores y sensores conectados de
Arduino.11 12Para la produccin en serie de la primera versin se tom
en cuenta que el coste no fuera mayor de 30 euros, que fuera
ensamblado en una placa de color azul, deba ser Plug and Play y que
trabajara con todas las plataformas informticas tales como MacOSX,
Windows y GNU/Linux. Las primeras 300 unidades se las dieron a los
alumnos del Instituto IVRAE, con el fin de que las probaran y
empezaran a disear sus primeros prototipos.En el ao 2005, se
incorpor al equipo el profesor Tom Igoe, que haba trabajado en
computacin fsica, despus de que se enterara del mismo a travs de
Internet. l ofreci su apoyo para desarrollar el proyecto a gran
escala y hacer los contactos para distribuir las tarjetas en
territorio estadounidense. En la feria Maker Fair de 2011 se
present la primera placa Arduino 32 bit para trabajar tareas ms
pesadas.AplicacionesEl mdulo Arduino ha sido usado como base en
diversas aplicaciones electrnicas: Xoscillo: Osciloscopio de cdigo
abierto. Equipo cientfico para investigaciones. Arduinome: Un
dispositivo controlador MIDI. OBDuino: un econmetro que usa una
interfaz de diagnstico a bordo que se halla en los automviles
modernos. Humane Reader: dispositivo electrnico de bajo coste con
salida de seal de TV que puede manejar una biblioteca de 5000
ttulos en una tarjeta microSD. The Humane PC: equipo que usa un
mdulo Arduino para emular un computador personal, con un monitor de
televisin y un teclado para computadora. Ardupilot: software y
hardware de aeronaves no tripuladas. ArduinoPhone: un telfono mvil
construido sobre un mdulo Arduino. Impresoras 3D.
Placa Arduino RS232
3.4 FotorresistenciaUnafotorresistenciaoLDR(por sus siglas en
ingls "light-dependent resistor") es uncomponente
electrnicocuyaresistenciavara en funcin de la luz.
Fotorresistencia.
El valor de resistencia elctrica de un LDR es bajo cuando hay
luz incidiendo en l (puede descender hasta 50 ohm) y muy alto
cuando est a oscuras (varios mega ohmios).Su funcionamiento se basa
en el efecto fotoelctrico. Un fotorresistor est hecho de un
semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de cadmio, CdS.
Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los
fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor
dando a los electrones la suficiente energa para saltar la banda de
conduccin. El electrn libre que resulta, y su hueco asociado,
conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia.
Los valores tpicos varan entre 1 M, o ms, en la oscuridad y 100 con
luz brillante.
Estructura bsica de una fotorresistenciaLas clulas de sulfuro
del cadmio se basan en la capacidad del cadmio de variar su
resistencia segn la cantidad de luz que incide en la clula. Cuanta
ms luz incide, ms baja es la resistencia. Las clulas son tambin
capaces de reaccionar a una amplia gama de frecuencias, incluyendo
infrarrojo (IR), luz visible, y ultravioleta (UV).
Fotocelda o fotorresistencia, cambia su valor resistivo (Ohms)
conforme a la intensidad de luz. Mayor luz, menor resistencia y
viceversa.La variacin del valor de la resistencia tiene cierto
retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado
a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que
la seal luminosa vara con rapidez. El tiempo de respuesta tpico de
un LDR est en el orden de una dcima de segundo. Esta lentitud da
ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones
rpidas de iluminacin que podran hacer inestable un sensor (ej. tubo
fluorescente alimentado por corriente alterna). En otras
aplicaciones (saber si es de da o es de noche) la lentitud de la
deteccin no es importante.Se fabrican en diversos tipos y pueden
encontrarse en muchos artculos de consumo, como por ejemplo en
cmaras, medidores de luz, relojes con radio, alarmas de seguridad o
sistemas de encendido y apagado del alumbrado de calles.Tambin se
fabrican fotoconductores de GeCu que funcionan dentro de la gama ms
baja "radiacin infrarroja".
4. Diseo del proyectoEl diseo propuesto de seguidor solar es de
baja potencia, no se contempla el mover grandes carg4as por lo
tanto se opt por el uso de servomotores que a su vez nos proveen
con una gran exactitud al momento de realizar algn ajuste o
movimiento.
El servomotor elegido es el 3001-HB el cual nos provee con un
Torque de 4.4 Kg/cm lo cual es ms que suficiente para poder mover
el modulo sensor y una celda solar pequea, lo cual es la finalidad
de este proyecto
El diseo del circuito del mdulo sensor no es complejo y no
involucra muchos componentes realmente ya que todas las iteraciones
de control se realizan por software en la unidad Arduino UNOEl
diseo se realiza utilizando el software de simulacin electrnica
Proteus versin 7.10 SP0
Circuito sensores LDR
Diseo PCB en plataforma ARES
Diseo del circuito listo para proceso de impresin.
Modulo para sensores LDR estndar*
*el mdulo de acomodo de sensores es de dominio pblico, fue
tomado y rediseado en mnima escala con fines de compatibilidad en
este proyecto4.1 Cdigo implementadoEste es el programa que se
implementa directamente en nuestro dispositivo Arduino UNO, como se
puede observar su estructura es bastante sencilla y basada adems en
la arquitectura de programacin C, el programa en si es creado en la
plataforma de programacin Arduino la cual puede ser conseguida
gratuitamente en la pgina web del fabricante.Como se podr observar
se incluye en el programa, el uso de una pantalla LCD con la cual
podamos visualizar el ndice de luminosidad en cada momento.
#include // include Servo library #include LiquidCrystal lcd(12,
11, 5, 4, 3, 2);Servo horizontal; // horizontal servoint servoh =
90; // stand horizontal servo
Servo vertical; // vertical servo int servov = 90; // stand
vertical servo
int LDR_val = 0; //Valor bruto obtenido por el LDR [0,1023]int
LDR_escalado = 0; //Variable en la que almacenaremos el escalado,
valor [0,100]int LDR_invertido = 0; // LDR pin connectionsint ldrlt
= 0; //LDR top leftint ldrrt = 1; //LDR top rigtint ldrld = 2;
//LDR down leftint ldrrd = 3; //ldr down rigtvoid setup(){
Serial.begin(9600);// servo connections horizontal.attach(9);
vertical.attach(10);}void loop() {int lt = analogRead(ldrlt); //
top leftint rt = analogRead(ldrrt); // top rightint ld =
analogRead(ldrld); // down leftint rd = analogRead(ldrrd); // down
rigtint dtime = analogRead(4)/20; // read potentiometersint tol =
analogRead(5)/4;
int avt = (lt + rt) / 2; // average value topint avd = (ld + rd)
/ 2; // average value downint avl = (lt + ld) / 2; // average value
leftint avr = (rt + rd) / 2; // average value rightint avtot = (avt
+avd+avl+avr)/4;
int dvert = avt - avd; // check the diffirence of up and downint
dhoriz = avl - avr;// check the diffirence og left and rigt
if (-1*tol > dvert || dvert > tol) // check if the
diffirence is in the tolerance else change vertical angle{if (avt
> avd){servov = ++servov;if (servov > 180){servov =
180;}}else if (avt < avd){servov= --servov;if (servov <
0){servov = 0;}}vertical.write(servov);}
if (-1*tol > dhoriz || dhoriz > tol) // check if the
diffirence is in the tolerance else change horizontal angle{if (avl
> avr){servoh = --servoh;if (servoh < 0){servoh = 0;}}else if
(avl < avr){servoh = ++servoh;if (servoh > 180){servoh =
180;}}else if (avl == avr){//
nothing}horizontal.write(servoh);}delay(dtime); LDR_val = avtot;
LDR_escalado = map(LDR_val,0,1023,0,100);
Serial.println(LDR_escalado);. lcd.begin(16, 2); //Definimos la
longitud de nuestro monitor LCD lcd.print("Idc. Luminosidad");
lcd.setCursor(0,1); lcd.print(LDR_escalado); lcd.print(" %");
delay(dtime); }
5. Conclusiones y recomendacionesSe puede concluir tras el
desarrollo de este dispositivo seguidor solar, que la implementacin
en Arduino nos da una base mucho ms flexible para trabajar, as
tambin, son posibles futuros cambios e implementaciones de mdulos
extras ya sea para trazado o monitoreo.Algo muy importante en este
proyecto en cuanto a versatilidad es la posibilidad que se tiene
que cambiar la tarjeta de desarrollo Arduino UNO y es recomendable
realizar este cambio por la tarjeta Arduino MEGA 2560. Ambas
tarjetas son totalmente compatibles en programacin y puertos
bsicos, sin embargo la tarjeta Arduino MEGA 2560 es capaz de
manejar ms perifricos, es decir, cuenta con una mayor cantidad de
puertos entrada/salida, lo cual es de mucha utilidad para el
desarrollo de componentes extra de ser necesario y la
compatibilidad con nuestro programa original no se vera afectada en
ningn modo.Existe una observacin muy importante que no debe ser
pasada por alto, el materia de armado en este caso se eligi la
madera, la razn principal fue la econmica, se busc la opcin de
reciclar material para reducir los costos, aun as las tablas de
madera fueron una buena eleccin por su proporcin tamao-peso, as
tambin la dureza natural que tiene lo cual nos da una estabilidad
en construccin, aun as se recomienda el mejorar la estructura tanto
del mdulo sensor como de los brazos de servomotor utilizando lamina
de acrlico, la cual ha probado ser resistente, durable, con un peso
relativamente bajo y por lo cual sera un sustituto ms que aceptable
como material de construccin que ayudara a reducir el peso de los
elementos y el estrs mecnico en los servomotores.Cabe mencionar
este programa para seguidor solar fue diseado en 2008, por lo cual
se tiene en cuenta un rediseo utilizando alguna tarjeta de control
Arduino con la cual sea posible implementar sistemas de monitoreo o
pueda ser enlazado a un sistema de control, las posibilidades son
ilimitadas.
Anlisis econmico
En la realizacin de este proyecto, se trat de que la mayor parte
de los materiales necesarios para el armado del prototipo del
seguidor solar fueran reciclados, lo que ayuda a reducir el gasto
total del proyecto, dentro del anlisis se coloca todo material
utilizado incluido material reciclado para tener una visin global
de cmo se compone este proyecto en termino de materiales.
COMPONENTES ELECTRONICOS
ConceptoValorCantidadPrecio total
Resistencias 10 k4 $ 4.00
Potencimetros10 k2 $ 15.00
LDRs (Fotorresistencias)2 M4 $ 16.00
Placa perforada7.5 X 4.5 cm1 $ 13.00
Cable Dupont15 cm10 $ 30.00
Cable para circuitometro2 $ 10.00
$ 88.00
ELEMENTOS MECANICOS
ConceptoTipoCantidadPrecio total
Servomotores*3001HB2 $ 450.00
$ 450.00
TARJETA DE DESARROLLO
ConceptoTipoCantidadPrecio total
Tarjeta Arduino *UNO R31 $ 380.00
$ 300.00
*Gasto de envo no incluido (cotizados y comprados en: tienda en
lnea 330ohms.com, tienda en lnea minirobot.com.mx)
MATERIAL PARA ARMAZON
ConceptoMedidasCantidadPrecio total
Tablas de madera2x20x0.5 cm6 $ -
Cartn doble capa 10x10 cm1 $ -
Hoja de acrlico27.9x35.6 cm1 $ -
Clavos2cm20 $ -
Tornillera variavaria10 $ -
Pegamento100 ml1 $ 5.00
$ 5.00
BALANCE GENERAL
COMPONENTES ELECTRONICOS $ 88.00
ELEMENTOS MECANICOS $ 450.00
TARJETA DE DESARROLLO $ 380.00
MATERIAL PARA ARMAZON $ 5.00
GASTOS DE OPERACIN $ 100.00
TOTAL $ 1023.00
GASTOS DE OPERACIN
ConceptoInversin
Administrativos $ -
Mano de obra $ -
Transporte y gastos de envio $ 100.00
$ 100.00
6. Apndicesa) Especificaciones de las principales placas
Arduino.
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enero del 2015 de
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erick alonso murguia melendez2
