Proyecto Seguidor Solar autonomo

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO REPORTE DE PROYECTO SEGUIDOR SOLAR DE DOS EJES Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

Erick Alonso !rg!ía elénde"#

$RO%E&'O DE A$LI&A&I() REALI*ADO E) EL I)S'I'U'O 'E&)OLOGI&O DE DURA)GO

INDICE +# Antecedentes#

,

SEGUIDOR SOLAR DE DOS EJES

.# ,#

3# /# 2# 4# ;#

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE DURANGO

+#+ -istoria de la energía solar# +#. Energía solar# +#, Energía solar 0oto1oltaica# +#3 Aplicaciones de la energía solar 0oto1oltaica# O56eti1o general# arco teórico# ,#+ Seg!idor solar# ,#. Ser1omotor# ,#, Ard!ino# ,#3 7otorresistencia# Dise8o del proyecto# 3#+ &ódigo implementado# &oncl!siones y recomendaciones# An:lisis económico# Apéndices#
, / 2 4 +. +, +, +/ .+ ./ .4 ,9 ,/ ,2 ,; ,=

1. Antecedentes 1.1 Historia de la ener!a solar La primera re0erencia >istórica >istórica ?!e se p!ede encontrar encontrar al !so de la energía energía solar se enc!entra enc!entra en la antig!a Grecia con Ar?!ímedes# D!rante la 5atalla de Sirac!sa en el siglo III a#&# ?!e en0rentó a los romanos y los griegos@ alg!nos escritos relatan como Ar?!ímedes !tili"ó !nos espe6os >eagonales >ec>os de 5ronce para re0le6ar los rayos solares concentr:ndolos en la 0lota romana con el o56eti1o de destr!irla#

ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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3# /# 2# 4# ;#


+#+ -istoria de la energía solar# +#. Energía solar# +#, Energía solar 0oto1oltaica# +#3 Aplicaciones de la energía solar 0oto1oltaica# O56eti1o general# arco teórico# ,#+ Seg!idor solar# ,#. Ser1omotor# ,#, Ard!ino# ,#3 7otorresistencia# Dise8o del proyecto# 3#+ &ódigo implementado# &oncl!siones y recomendaciones# An:lisis económico# Apéndices#
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1. Antecedentes 1.1 Historia de la ener!a solar La primera re0erencia >istórica >istórica ?!e se p!ede encontrar encontrar al !so de la energía energía solar se enc!entra enc!entra en la antig!a Grecia con Ar?!ímedes# D!rante la 5atalla de Sirac!sa en el siglo III a#&# ?!e en0rentó a los romanos y los griegos@ alg!nos escritos relatan como Ar?!ímedes !tili"ó !nos espe6os >eagonales >ec>os de 5ronce para re0le6ar los rayos solares concentr:ndolos en la 0lota romana con el o56eti1o de destr!irla#


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Espe6os de Ar?!ímedes en Sirac!sa

!c>os siglos m:s tarde@ Leonardo Leonardo da Binci Binci tam5ién tam5ién pensó en el !so del sol# En el a8o +/+/ comen"ó !n de s!s m!c>os proyectos@ a!n?!e este sería !no de los ?!e n!nca llegaría a aca5ar# S! idea era constr!ir !n concentrador de 2 kilómetros de di:metro a 5ase de espe6os cónca1os para la prod!cción de 1apor y calor ind!strial# A mediados del siglo CBIII@ GeorgesLo!is Leclerc@ conde de

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ecanismo con +2; pie"as de cristal dise8ado por ay alg!ien ?!e realmente 0!e importante para el a1ance de la energía solar@ ese 0!e A!g!stin o!c>ot@ desarrollando en el a8o +;2; los primeros sensores solares# 'ras ello@ serían m!c>os los ?!e seg!irían s!s pasos@ siendo especialmente destaca5les Jo>n Ericsson@ ?!e en +;49 dise8ó !n colector para5ólico ?!e se >a seg!ido !sando d!rante m:s de +99 a8os@ y A!5rey Eneas@ ?!ien 0!ndó la primera empresa de energía solar en +=99@ '>e Solar otor &o# $ero ning!no de todos los persona6es de la >istoria de la energía solar 0!e tan am5icioso como 7rank Sc>!man# Sc>!man 0!ndó en +=++ s! empresa S!n $oer &o@ creando s! primera planta solar en 'ancony@ 'ancony@ Estados Unidos@ en +=++@ generando !n total de .9kF# 'ras ello@ a5rió s! sig!iente planta solar en aadi@ Egipto@ en +=+.@ consig!iendo generar ;;kF#

Re0lector para5ólico de aadi


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$ero s! am5ición no tenía límites@ por lo ?!e l!c>ó por conseg!ir !na planta solar capa" de generar toda la energía cons!mida por el m!ndo entero# $ara ello@ planteó constr!ir en el Sa>ara /.#299 kilómetros c!adrados de colectores solares para prod!cir +=;F@ lo ?!e >!5iera sido el e?!i1alente al cons!mo de energía m!ndial en +=9=# Sc>!man llegó a conseg!ir !na s!51ención de .99#999 dólares para comen"ar con s! proyecto@ pero el comien"o de la primera g!erra m!ndial cam5ió todo# S!s planes 0!eron parali"ados a!tom:ticamente y todos los tra5a6adores de la planta solar de aadi regresaron a Alemania para com5atir del lado de Alemania# Sc>!man m!rió d!rante el transc!rso de la g!erra@ y al 0inal de ella@ con la derrota de Alemania y la pérdida de todas las colonias a0ricanas@ el proyecto cayó en el ol1ido.

1." Ener!a solar La energía solar es !na 0!ente de energía de origen reno1a5le@ o5tenida a partir del apro1ec>amiento de la radiación electromagnética procedente del Sol# La radiación solar ?!e alcan"a la 'ierra >a sido apro1ec>ada por el ser >!mano desde la Antigedad@ mediante di0erentes tecnologías ?!e >an ido e1ol!cionando con el tiempo desde s! concepción# En la act!alidad@ el calor y la l!" del Sol p!ede apro1ec>arse por medio de captadores como cél!las 0oto1oltaicas@ >elióstatos o colectores térmicos@ ?!e p!eden trans0ormarla en energía eléctrica o térmica# Es !na de las llamadas energías reno1a5les o energías limpias@ ?!e p!eden ay!dar a resol1er alg!nos de los pro5lemas m:s !rgentes ?!e a0ronta la >!manidad#+ Las di0erentes tecnologías solares se clasi0ican en pasi1as o acti1as segHn cómo capt!ran@ con1ierten y distri5!yen la energía solar# Las tecnologías acti1as incl!yen el !so de paneles 0oto1oltaicos y colectores térmicos para recolectar la energía# Entre las técnicas pasi1as@ se enc!entran di0erentes técnicas enmarcadas en la ar?!itect!ra 5ioclim:tica la orientación de los edi0icios al Sol@ la selección de materiales con !na masa térmica 0a1ora5le o ?!e tengan propiedades para la dispersión de l!"@ así como el dise8o de espacios mediante 1entilación nat!ral# La 0!ente de energía solar m:s desarrollada en la act!alidad es la energía solar 0oto1oltaica# SegHn in0ormes de la organi"ación ecologista Greenpeace@ la energía solar 0oto1oltaica podría s!ministrar electricidad a dos tercios de la po5lación m!ndial en .9,9#. Act!almente@ y gracias a los a1ances tecnológicos@ la so0isticación y la economía de escala@ el coste de la energía solar 0oto1oltaica se >a red!cido de 0orma constante desde ?!e se 0a5ricaron las primeras cél!las solares comerciales@, a!mentando a s! 1e" la e0iciencia@ y s! ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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coste medio de generación eléctrica ya es competiti1o con las 0!entes de energía con1encionales3 en !n creciente nHmero de regiones geogr:0icas@ alcan"ando la paridad de red#/ 2 Otras tecnologías solares@ como la energía solar termoeléctrica est: red!ciendo s!s costes tam5ién de 0orma considera5le#

1.# Ener!a solar $oto%oltaica La energía solar 0oto1oltaica es !na 0!ente de energía ?!e prod!ce electricidad de origen reno1a5le@ o5tenida directamente a partir de la radiación solar mediante !n dispositi1o semicond!ctor denominado cél!la 0oto1oltaica@ o 5ien mediante !na deposición de metales so5re !n s!strato denominada cél!la solar de pelíc!la 0ina# Este tipo de energía se !sa para alimentar inn!mera5les aplicaciones y aparatos a!tónomos@ para a5astecer re0!gios o 1i1iendas aisladas de la red eléctrica y para prod!cir electricidad a gran escala a tra1és de redes de distri5!ción# De5ido a la creciente demanda de energías reno1a5les@ la 0a5ricación de cél!las solares e instalaciones 0oto1oltaicas >a a1an"ado considera5lemente en los Hltimos a8os# Entre los a8os .99+ y .9+/ se >a prod!cido !n crecimiento eponencial de la prod!cción de energía 0oto1oltaica@ do5l:ndose aproimadamente cada dos a8os# La potencia total 0oto1oltaica instalada en el m!ndo conectada a redK ascendía a 4@2 GF en .994@ +2 GF en .99;@ ., GF en .99=@ 39 GF en .9+9@ 49 GF en .9++@ +99 GF en .9+. y +39 GF en .9+,# A 0inales de .9+3@ se >a5ían instalado en todo el m!ndo cerca de +;/ GF de potencia 0oto1oltaica#

&elda solar@ pie"a cla1e de los sistemas de energía solar


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Gracias a ello la energía solar 0oto1oltaica se >a con1ertido en la tercera 0!ente de energía reno1a5le m:s importante en términos de capacidad instalada a ni1el glo5al@ desp!és de las energías >idroeléctrica y eólica@ y s!pone ya !na 0racción signi0icati1a del mi eléctrico en la Unión E!ropea@ c!5riendo de media el , de la demanda de electricidad y alcan"ando el 2 en los períodos de mayor prod!cción# En alg!nos países@ como Alemania@ Italia o Espa8a@ alcan"a m:imos s!periores al +9@ al ig!al ?!e en alg!nos estados soleados de Estados Unidos@ como &ali0ornia# La prod!cción an!al de energía eléctrica generada por la 0oto1oltaica a ni1el m!ndial e?!i1alía en .9+3 a cerca de +29 'era 1atios>ora 'F>K@ s!0iciente para a5astecer las necesidades energéticas de m:s de ,9 millones de >ogares@ c!5riendo !n 9@;/ de la demanda m!ndial de electricidad#

1.& A'licaciones de la ener!a solar $oto%oltaica

Repetidor de telecom!nicaciones alimentado mediante paneles solares# En l!gares de di0ícil acceso@ la energía 0oto1oltaica permite a5astecer energía eléctrica de 0orma pr:ctica y competiti1a#


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$ar?!ímetro a5astecido mediante energía solar 0oto1oltaica@ en Edim5!rgo@ Reino Unido#

&alc!ladora solar 5:sica Sharp#

Re0!gio de monta8a alimentado mediante energía 0oto1oltaica@ en el $ar?!e nacional de Aigestortes y Lago de San a!ricio $irineos@ Espa8aK#


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La prod!cción ind!strial a gran escala de paneles 0oto1oltaicos despegó en la década de +=;9@ y entre s!s mHltiples !sos se p!eden destacar

Teleco()nicaciones * se+ali,aci-n La energía solar 0oto1oltaica es ideal para aplicaciones de telecom!nicaciones@ entre las ?!e se enc!entran por e6emplo las centrales locales de tele0onía@ antenas de radio y tele1isión@ estaciones repetidoras de microondas y otros tipos de enlaces de com!nicación electrónicos# Esto es de5ido a ?!e@ en la mayoría de las aplicaciones de telecom!nicaciones@ se !tili"an 5aterías de almacenamiento y la instalación eléctrica se reali"a normalmente en corriente D&K# En terrenos accidentados y monta8osos@ las se8ales de radio y tele1isión p!eden 1erse inter0eridas o re0le6adas de5ido al terreno ond!lado# En estos empla"amientos@ se instalan transmisores de 5a6a potencia L$'K para reci5ir y retransmitir la se8al entre la po5lación local# Las cél!las 0oto1oltaicas tam5ién se !tili"an para alimentar sistemas de com!nicaciones de emergencia@ por e6emplo en los postes de SOS 'elé0onos de emergenciaK en carreteras@ se8ali"ación 0erro1iaria@ 5ali"amiento para protección aeron:!tica@ estaciones meteorológicas o sistemas de 1igilancia de datos am5ientales y de calidad del ag!a#

Electri$icaci-n r)ral En entornos aislados@ donde se re?!iere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es di0ícil@ las placas 0oto1oltaicas se emplean como alternati1a económicamente 1ia5le desde >ace décadas# $ara comprender la importancia de esta posi5ilidad@ con1iene tener en c!enta ?!e aproimadamente !na c!arta parte de la po5lación m!ndial toda1ía no tiene acceso a la energía eléctrica# En los países en desarrollo@ m!c>os p!e5los se enc!entran sit!ados en :reas remotas@ a 1arios kilómetros de la red eléctrica m:s próima# De5ido a ello@ se est: incorporando la energía 0oto1oltaica de 0orma creciente para proporcionar s!ministro eléctrico a 1i1iendas o instalaciones médicas en :reas r!rales# $or e6emplo@ en l!gares remotos de India !n programa de il!minación r!ral >a pro1isto il!minación mediante l:mparas LED alimentadas con energía solar para s!stit!ir a las l:mparas de ?!eroseno# El precio de las l:mparas solares era aproimadamente el mismo ?!e el coste del s!ministro de ?!eroseno d!rante !nos pocos meses# &!5a y otros países de Latinoamérica est:n tra5a6ando para proporcionar energía 0oto1oltaica en "onas ale6adas del s!ministro de energía eléctrica con1encional# Estas son :reas en las ?!e los 5ene0icios sociales y económicos para la po5lación local o0recen !na ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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ecelente ra"ón para instalar paneles 0oto1oltaicos@ a!n?!e normalmente este tipo de iniciati1as se >an 1isto relegadas a p!nt!ales es0!er"os >!manitarios#

Siste(as de o(eo

Los sistemas de 5om5eo 0oto1oltaico p!eden !tili"arse para proporcionar ag!a en sistemas de riego@ ag!a pota5le en com!nidades aisladas o a5re1aderos para el ganado# 'am5ién se emplea la 0oto1oltaica para alimentar instalaciones de 5om5eo para sistemas de riego@ ag!a pota5le en :reas r!rales y a5re1aderos para el ganado@ o para sistemas de desalini"ación de ag!a# Los sistemas de 5om5eo 0oto1oltaico al ig!al ?!e los alimentados mediante energía eólicaK son m!y Htiles allí donde no es posi5le acceder a la red general de electricidad o 5ien s!pone !n precio pro>i5iti1o# S! coste es generalmente m:s económico de5ido a s!s menores costes de operación y mantenimiento@ y presentan !n menor impacto am5iental ?!e los sistemas de 5om5eo alimentados mediante motores de com5!stión interna@ ?!e tienen adem:s !na menor 0ia5ilidad# Las 5om5as !tili"adas p!eden ser tanto de corriente alterna A&K como corriente contin!a D&K# )ormalmente se emplean motores de corriente contin!a para pe?!e8as y medianas aplicaciones de >asta , kF de potencia@ mientras ?!e para aplicaciones m:s grandes se !tili"an motores de corriente alterna acoplados a !n in1ersor ?!e trans0orma para s! !so la corriente contin!a procedente de los paneles 0oto1oltaicos# Esto permite dimensionar sistemas desde 9@+/ kF >asta m:s de // kF de potencia@ ?!e p!eden ser empleados para a5astecer comple6os sistemas de irrigación o almacenamiento de ag!a#


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/oto%oltaica interada en edi$icios

ar?!esina solar

!c>as instalaciones 0oto1oltaicas se enc!entran a men!do sit!adas en los edi0icios normalmente se sitHan so5re !n te6ado ya eistente@ o 5ien se integran en elementos de la propia estr!ct!ra del edi0icio@ como tragal!ces@ clara5oyas o 0ac>adas# Alternati1amente@ !n sistema 0oto1oltaico tam5ién p!ede ser empla"ado 0ísicamente separado del edi0icio@ pero conectado a la instalación eléctrica del mismo para s!ministrar energía# En .9+9@ m:s del ;9 de los =999 F de 0oto1oltaica ?!e Alemania tenía en 0!ncionamiento por entonces@ se >a5ían instalado so5re te6ados# La 0oto1oltaica integrada en edi0icios  BIPV @ en s!s siglas en inglésK se est: incorporando de 0orma cada 1e" m:s creciente como 0!ente de energía eléctrica principal o sec!ndaria en los n!e1os edi0icios domésticos e ind!striales@ e incl!so en otros elementos ar?!itectónicos@ como por e6emplo p!entes# Las te6as con cél!las 0oto1oltaicas integradas son tam5ién 5astante com!nes en este tipo de integración# SegHn !n est!dio p!5licado en .9++@ el !so de im:genes térmicas >a demostrado ?!e los paneles solares@ siempre ?!e eista !na 5rec>a a5ierta por la ?!e el aire p!eda circ!lar entre los paneles y el tec>o@ proporcionan !n e0ecto de re0rigeración pasi1a en los edi0icios d!rante el día y adem:s ay!dan a mantener el calor ac!m!lado d!rante la noc>e#

/oto%oltaica de cone0i-n a red Una de las principales aplicaciones de la energía solar 0oto1oltaica m:s desarrollada en los Hltimos a8os@ consiste en las centrales conectadas a red para s!ministro eléctrico@ así como los sistemas de a!tocons!mo 0oto1oltaico@ de potencia generalmente menor@ pero ig!almente conectados a la red eléctrica#


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". Oeti%o eneral El o56eti1o general 5!scado en la reali"ación de este proyecto es el de o5tener !n prototipo concreto@ din:mico y did:ctico de !n seg!idor solar de dos e6es tipo monoposte@ el c!al es desarrollado principalmente como 5ase para !n cargador solar din:mico y de ig!al manera p!eda ser1ir de 5ase a di0erentes aplicaciones en el ?!e sea necesario !n seg!idor solar con las características presentadas en este proyecto#

El desarrollo se >ace !tili"ando como 5ase el sistema de desarrollo Ard!ino@ especí0icamente con el !so de la tar6eta Ard!ino U)O R,@ esto@ teniendo en c!enta la posi5ilidad de epansión de este proyecto tal como el monitoreo por so0tare de la radiación solar@ tra"ado de gra0icas de eposición l!minosa@ medición de lHmenes o intensidad l!minosa entre otros# 'odo esto sin la alteración completa de la circ!itería ya ?!e todo cam5io o monitoreo es posi5le de reali"arse a tra1és del so0tare dise8ado para este proyecto#


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#. 2arco te-rico #.1 Se)idor solar Un seg!idor solar es !n dispositi1o mec:nico capa" de orientar los paneles solares de 0orma ?!e éstos permane"can aproimadamente perpendic!lares a los rayos solares@ sig!iendo al sol desde el este en la al5orada >asta el oeste en la p!esta# Los seg!idores solares son !sados en todas las tecnologías de seg!imiento solar 7$B@ &$B y &S$# Eisten de 1arios tipos •

En dos e6es .K la s!per0icie se mantiene siempre perpendic!lar al sol# Eisten de dos tipos

ono poste !n Hnico apoyo central# &arr!sel 1arios apoyos distri5!idos a lo largo de !na s!per0icie circ!lar# •

•

•

En !n e6e polar +pK la s!per0icie gira so5re !n e6e orientado al s!r e inclinado !n :ng!lo ig!al a la latit!d# El giro se a6!sta para ?!e la normal a la s!per0icie coincida en todo momento con el meridiano terrestre ?!e contiene al Sol# La 1elocidad de giro es de +/M por >ora@ como la del relo6# En !n e6e a"im!tal +aK la s!per0icie gira so5re !n e6e 1ertical@ el :ng!lo de la s!per0icie es constante e ig!al a la latit!d# El giro se a6!sta para ?!e la normal a la s!per0icie coincida en todo momento con el meridiano local ?!e contiene al Sol# La 1elocidad de giro es 1aria5le a lo largo del día# En !n e6e >ori"ontal +>K la s!per0icie gira en !n e6e >ori"ontal y orientado en dirección nortes!r# El giro se a6!sta para ?!e la normal a la s!per0icie coincida en todo momento con el meridiano terrestre ?!e contiene al Sol#

7!ncionamiento del seg!idor


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Rentailidad del se)i(iento solar El coste y la energía generada dependen del tipo de seg!idor# De 0orma general@ se s!ele admitir ?!e el seg!imiento a"im!tal recoge de !n +9 a !n .9 m:s ?!e las estr!ct!ras 0i6as# Los seg!idores a"im!tales p!eden llegar >asta el ./# Entre los distintos seg!idores a dos e6es eisten 1ariaciones de entre el ,9 y el 3/ de incremento de prod!cción 0rente a las instalaciones 0i6as@ así como 1ariaciones importantes en el coste de los e?!ipos y de las cimentaciones# Los par:metros m:s importantes para comparar los seg!idores solares son • • • • •

Incremento de prod!cción de energía &oste del e?!ipo e instalación del mismo Resistencia al 1iento Disponi5ilidad anteni5ilidad

Seg!idor solar de dos e6es#

#." Ser%o(otor ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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Un ser1omotor tam5ién llamado Ser1oK es !n dispositi1o similar a !n motor de corriente contin!a@ ?!e tiene la capacidad de !5icarse en c!al?!ier posición dentro de s! rango de operación@ y mantenerse esta5le en dic>a posición# Est: con0ormado por !n motor@ !na ca6a red!ctora y !n circ!ito de control# Los ser1os se !tili"an 0rec!entemente en sistemas de radio control y en ro5ótica@ pero s! !so no est: limitado a estos# Es posi5le modi0icar !n ser1omotor para o5tener !n motor de corriente contin!a ?!e@ si 5ien ya no tiene la capacidad de control del ser1o@ conser1a la 0!er"a@ 1elocidad y 5a6a inercia ?!e caracteri"a a estos dispositi1os#

Ser1omotor típico#

Un ser1o normal o Standard tiene ,kg por cm# de tor?!e ?!e es 5astante 0!erte para s! tama8o# 'am5ién potencia proporcional para cargas mec:nicas# Un ser1o@ por consig!iente@ no cons!me m!c>a energía#

La corriente ?!e re?!iere depende del tama8o del ser1o# )ormalmente el 0a5ricante indica c!al es la corriente ?!e cons!me# Eso no signi0ica m!c>o si todos los ser1os 1an a estar mo1iéndose todo el tiempo# La corriente depende principalmente del par@ y p!ede eceder !n amperio si el ser1o est: encla1ado#

Ti'os de ser%o(otores ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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-ay tres tipos de ser1omotores Ser1omotores de &&# Ser1omotores de A&# Ser1omotores de imanes permanentes o less#

Partes de )n ser%o(otor

Estr!ct!ra típica de !n ser1omotor

•

otor de corriente contin!a

Es el elemento ?!e le 5rinda mo1ilidad al ser1o# &!ando se aplica !n potencial a s!s dos terminales@ este motor gira en !n sentido a s! 1elocidad m:ima# Si el 1olta6e aplicado s!s dos terminales es in1erso@ el sentido de giro tam5ién se in1ierte# •

Engrana6es red!ctores

Se encargan de con1ertir gran parte de la 1elocidad de giro del motor de corriente contin!a en tor?!e# •

&irc!ito de control

Este circ!ito es el encargado del control de la posición del motor# Reci5e los p!lsos de entrada y !5ica al motor en s! n!e1a posición dependiendo de los p!lsos reci5idos#


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'iene adem:s de los circ!itos de control !n potenciómetro conectado al e6e central del motor# Este potenciómetro permite a la circ!itería de control@ s!per1isar el :ng!lo act!al del ser1o motor# Si el e6e est: en el :ng!lo correcto@ entonces el motor est: apagado# Si el circ!ito c>e?!ea ?!e el :ng!lo no es correcto@ el motor 1ol1er: a la dirección correcta@ >asta llegar al :ng!lo ?!e es correcto# El e6e del ser1o es capa" de llegar alrededor de los +;9 grados# )ormalmente@ en alg!nos llega a los .+9 grados@ pero 1aría segHn el 0a5ricante# Un ser1o normal se !sa para controlar !n mo1imiento ang!lar de entre 9 y +;9 grados# Un ser1o normal no es mec:nicamente capa" de retornar a s! l!gar@ si >ay !n mayor peso ?!e el s!gerido por las especi0icaciones del 0a5ricante# Los ser1omotores tienen , terminales •

'erminal positi1o Reci5e la alimentación del motor 3 a ; 1oltiosK

•

'erminal negati1o Re0erencia tierra del motor 9 1oltiosK

•

Entrada de se8al Reci5e la se8al de control del motor

Los colores del ca5le de cada terminal 1arían con cada 0a5ricante el ca5le del terminal positi1o siempre es ro6oN el del terminal negati1o p!ede ser marrón o negroN y el del terminal de entrada de se8al s!ele ser de color 5lanco@ naran6a o amarillo#

&oneión eterna del ser1omotor#


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/)nciona(iento de )n ser%o(otor La mod!lación por anc>!ra de p!lso@ $F  Pulse Width ModulationK@ es !na de los sistemas m:s empleados para el control de ser1os# Este sistema consiste en generar !na onda c!adrada en la ?!e se 1aría el tiempo ?!e el p!lso est: a ni1el alto@ manteniendo el mismo período normalmenteK@ con el o56eti1o de modi0icar la posición del ser1o segHn se desee#

$F para recorrer todo el rango de operación del ser1o

El sistema de control de !n ser1o se limita a indicar en ?!é posición se de5e sit!ar# Esto se lle1a a ca5o mediante !na serie de p!lsos tal ?!e la d!ración del p!lso indica el :ng!lo de giro del motor# &ada ser1o tiene s!s m:rgenes de operación@ ?!e se corresponden con el anc>o del p!lso m:imo y mínimo ?!e el ser1o entiende# Los 1alores m:s generales se corresponden con p!lsos de entre + ms y . ms de anc>!ra@ ?!e de6arían al motor en am5os etremos 9 y +;9K# El 1alor +#/ ms indicaría la posición central o ne!tra =9K@ mientras ?!e otros 1alores del p!lso lo de6an en posiciones intermedias# Estos 1alores s!elen ser los recomendados@ sin em5argo@ es posi5le emplear p!lsos menores de + ms o mayores de . ms@ p!diéndose conseg!ir :ng!los mayores de +;9M# Si se so5repasan los límites de mo1imiento del ser1o@ éste comen"ar: a emitir !n "!m5ido@ indicando ?!e se de5e cam5iar la longit!d del p!lso# El 0actor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mec:nicos constr!cti1os#


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E6emplos de posicionamiento de !n ser1omotor

El período entre p!lso y p!lso tiempo de O77K no es crítico@ e incl!so p!ede ser distinto entre !no y otro p!lso# Se s!elen emplear 1alores P .9 ms entre +9 ms y ,9 msK# Si el inter1alo entre p!lso y p!lso es in0erior al mínimo@ p!ede inter0erir con la tempori"ación interna del ser1o@ ca!sando !n "!m5ido@ y la 1i5ración del e6e de salida# Si es mayor ?!e el m:imo@ entonces el ser1o pasar: a estado dormido entre p!lsos# Esto pro1oca ?!e se m!e1a con inter1alos pe?!e8os#


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$eriodos entre p!lsos A contin!ación se p!ede o5ser1ar la posición del e6e de !n ser1omotor segHn la anc>!ra del p!lso aplicada

$osi5ilidad alternati1a de p!lsos de control


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#.# Ard)ino Ard!ino es !na plata0orma de >ardare li5re@ 5asada en !na placa con !n microcontrolador y !n entorno de desarrollo@ dise8ada para 0acilitar el !so de la electrónica en proyectos m!ltidisciplinares#. ,

Ard!ino U)O re1isión ,#

El >ardare consiste en !na placa con !n microcontrolador Atmel ABR y p!ertos de entradaQsalida#3 Los microcontroladores m:s !sados son el Atmega+2;@ Atmega,.;@ Atmega+.;9@ A'mega; por s! sencille" y 5a6o coste ?!e permiten el desarrollo de mHltiples dise8os# $or otro lado el so0tare consiste en !n entorno de desarrollo ?!e implementa el leng!a6e de programación $rocessingQFiring y el cargador de arran?!e ?!e es e6ec!tado en la placa#3 Desde oct!5re de .9+.@ Ard!ino se !sa tam5ién con microcontroladoras &orte, de AR de ,. 5its@ / ?!e coeistir:n con las m:s limitadas@ pero tam5ién económicas ABR de ; 5its# AR y ABR no son plata0ormas compati5les a ni1el 5inario@ pero se p!eden programar con el mismo IDE de Ard!ino y >acerse programas ?!e compilen sin cam5ios en las dos plata0ormas# Eso sí@ las microcontroladoras &orte, !san ,@,B@ a di0erencia de la mayoría de las placas ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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con ABR ?!e generalmente !san /B# Sin em5argo ya anteriormente se lan"aron placas Ard!ino con Atmel ABR a ,@,B como la Ard!ino 7io y eisten compati5les de Ard!ino )ano y $ro como ed!ino en ?!e se p!ede conm!tar el 1olta6e# Ard!ino se p!ede !tili"ar para desarrollar o56etos interacti1os a!tónomos o p!ede ser conectado a so0tare tal como Ado5e 7las>@ $rocessing@ aQS$@ $!re Data# Las placas se p!eden montar a mano o ad?!irirse# El entorno de desarrollo integrado li5re se p!ede descargar grat!itamente#

Descripción de la placa Ard!ino !no#

Ard!ino p!ede tomar in0ormación del entorno a tra1és de s!s entradas analógicas y digitales@ p!ede controlar l!ces@ motores y otros act!adores# El microcontrolador en la placa Ard!ino se programa mediante el leng!a6e de programación Ard!ino 5asado en FiringK y el entorno de desarrollo Ard!ino 5asado en $rocessingK# Los proyectos >ec>os con Ard!ino p!eden e6ec!tarse sin necesidad de conectar a !n comp!tador#


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Historia Ard!ino se inició en el a8o .99/ como !n proyecto para est!diantes en el Instit!to IBREA@ en I1rea ItaliaK# En ese tiempo@ los est!diantes !sa5an el microcontrolador oras# En s! creación@ contri5!yó el est!diante colom5iano -ernando a plata0orma@ los in1estigadores tra5a6aron para >acerlo m:s ligero@ m:s económico y disponi5le para la com!nidad de código a5ierto >ardare y código a5iertoK# El instit!to 0inalmente cerró s!s p!ertas@ así ?!e los in1estigadores@ entre ellos el espa8ol Da1id &!artielles@ promo1ieron la idea#= ardare a5ierto@ éste no podría ser em5argado# $osteriormente@ Google cola5oró en el desarrollo del it Android AD Accesory De1elopment itK@ !na placa Ard!ino capa" de com!nicarse directamente con telé0onos mó1iles inteligentes 5a6o el sistema operati1o Android para ?!e el telé0ono controle l!ces@ motores y sensores conectados de Ard!ino#++ +. $ara la prod!cción en serie de la primera 1ersión se tomó en c!enta ?!e el coste no 0!era mayor de ,9 e!ros@ ?!e 0!era ensam5lado en !na placa de color a"!l@ de5ía ser $l!g and $lay y ?!e tra5a6ara con todas las plata0ormas in0orm:ticas tales como acOSC@ Findos y G)UQLin!# Las primeras ,99 !nidades se las dieron a los al!mnos del Instit!to IBRAE@ con el 0in de ?!e las pro5aran y empe"aran a dise8ar s!s primeros prototipos# En el a8o .99/@ se incorporó al e?!ipo el pro0esor 'om Igoe@ ?!e >a5ía tra5a6ado en comp!tación 0ísica@ desp!és de ?!e se enterara del mismo a tra1és de Internet# l o0reció s! apoyo para desarrollar el proyecto a gran escala y >acer los contactos para distri5!ir las


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tar6etas en territorio estado!nidense# En la 0eria aker 7air de .9++ se presentó la primera placa Ard!ino ,. 5it para tra5a6ar tareas m:s pesadas#

A'licaciones El mód!lo Ard!ino >a sido !sado como 5ase en di1ersas aplicaciones electrónicas

•

Coscillo Osciloscopio de código a5ierto# E?!ipo cientí0ico para in1estigaciones# Ard!inome Un dispositi1o controlador IDI# Oalla en

•

los a!tomó1iles modernos# -!mane Reader dispositi1o electrónico de 5a6o coste con salida de se8al de 'B ?!e

•

p!ede mane6ar !na 5i5lioteca de /999 tít!los en !na tar6eta microSD# '>e -!mane $& e?!ipo ?!e !sa !n mód!lo Ard!ino para em!lar !n comp!tador

• • •

• • •

personal@ con !n monitor de tele1isión y !n teclado para comp!tadora# Ard!pilot so0tare y >ardare de aerona1es no trip!ladas# Ard!ino$>one !n telé0ono mó1il constr!ido so5re !n mód!lo Ard!ino# Impresoras ,D#

$laca Ard!ino RS.,.

#.& /otorresistencia


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Una 0otorresistencia o LDR por s!s siglas en inglés Tlight-dependent resistor TK es !n componente electrónico c!ya resistencia 1aría en 0!nción de la l!"#

7otorresistencia#

El 1alor de resistencia eléctrica de !n LDR es 5a6o c!ando >ay l!" incidiendo en él p!ede descender >asta /9 o>mK y m!y alto c!ando est: a osc!ras 1arios mega o>miosK# S! 0!ncionamiento se 5asa en el e0ecto 0otoeléctrico# Un 0otorresistor est: >ec>o de !n semicond!ctor de alta resistencia como el s!l0!ro de cadmio@ &dS# Si la l!" ?!e incide en el dispositi1o es de alta 0rec!encia@ los 0otones son a5sor5idos por las elasticidades del semicond!ctor dando a los electrones la s!0iciente energía para saltar la 5anda de cond!cción# El electrón li5re ?!e res!lta@ y s! >!eco asociado@ cond!cen la electricidad@ de tal modo ?!e dismin!ye la resistencia# Los 1alores típicos 1arían entre + @ o m:s@ en la osc!ridad y +99  con l!" 5rillante#

Estr!ct!ra 5:sica de !na 0otorresistencia


25



Las cél!las de s!l0!ro del cadmio se 5asan en la capacidad del cadmio de 1ariar s! resistencia segHn la cantidad de l!" ?!e incide en la cél!la# &!anta m:s l!" incide@ m:s 5a6a es la resistencia# Las cél!las son tam5ién capaces de reaccionar a !na amplia gama de 0rec!encias@ incl!yendo in0rarro6o IRK@ l!" 1isi5le@ y !ltra1ioleta UBK#

7otocelda o 0otorresistencia@ cam5ia s! 1alor resisti1o O>msK con0orme a la intensidad de l!"# ayor l!"@ menor resistencia y 1ice1ersa# La 1ariación del 1alor de la resistencia tiene cierto retardo@ di0erente si se pasa de osc!ro a il!minado o de il!minado a osc!ro# Esto limita a no !sar los LDR en aplicaciones en las ?!e la se8al l!minosa 1aría con rapide"# El tiempo de resp!esta típico de !n LDR est: en el orden de !na décima de seg!ndo# Esta lentit!d da 1enta6a en alg!nas aplicaciones@ ya ?!e se 0iltran 1ariaciones r:pidas de il!minación ?!e podrían >acer inesta5le !n sensor e6# t!5o 0l!orescente alimentado por corriente alternaK# En otras aplicaciones sa5er si es de día o es de noc>eK la lentit!d de la detección no es importante# Se 0a5rican en di1ersos tipos y p!eden encontrarse en m!c>os artíc!los de cons!mo@ como por e6emplo en c:maras@ medidores de l!"@ relo6es con radio@ alarmas de seg!ridad o sistemas de encendido y apagado del al!m5rado de calles# 'am5ién se 0a5rican 0otocond!ctores de Ge&! ?!e 0!ncionan dentro de la gama m:s 5a6a Tradiación in0rarro6aT#


26



&. Dise+o del 'ro*ecto El dise8o prop!esto de seg!idor solar es de 5a6a potencia@ no se contempla el mo1er grandes carg3as por lo tanto se optó por el !so de ser1omotores ?!e a s! 1e" nos pro1een con !na gran eactit!d al momento de reali"ar algHn a6!ste o mo1imiento#

El ser1omotor elegido es el ,99+-< el c!al nos pro1ee con !n 'or?!e de 3#3 gQcm lo c!al es m:s ?!e s!0iciente para poder mo1er el mod!lo sensor y !na celda solar pe?!e8a@ lo c!al es la 0inalidad de este proyecto

El dise8o del circ!ito del mód!lo sensor no es comple6o y no in1ol!cra m!c>os componentes realmente ya ?!e todas las iteraciones de control se reali"an por so0tare en la !nidad Ard!ino U)O El dise8o se reali"a !tili"ando el so0tare de sim!lación electrónica $rote!s 1ersión 4#+9 S$9

&irc!ito sensores LDR


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Dise8o $&< en plata0orma ARES

Dise8o del circ!ito listo para proceso de impresión#


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od!lo para sensores LDR est:ndarV

3el (-d)lo de aco(odo de sensores es de do(inio '4lico5 $)e to(ado * redise+ado en (!ni(a escala con $ines de co('atiilidad en este 'ro*ecto


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&.1 C-dio i('le(entado Este es el programa ?!e se implementa directamente en n!estro dispositi1o Ard!ino U)O@ como se p!ede o5ser1ar s! estr!ct!ra es 5astante sencilla y 5asada adem:s en la ar?!itect!ra de programación &@ el programa en si es creado en la plata0orma de programación Ard!ino la c!al p!ede ser conseg!ida grat!itamente en la p:gina e5 del 0a5ricante# &omo se podr: o5ser1ar se incl!ye en el programa@ el !so de !na pantalla L&D con la c!al podamos 1is!ali"ar el índice de l!minosidad en cada momento#

Wincl!de XSer1o#>Y QQ incl!de Ser1o li5rary Wincl!de XLi?!id&rystal#>Y Li?!id&rystal lcd+.@ ++@ /@ 3@ ,@ .KN Ser1o >ori"ontalN QQ >ori"ontal ser1o int ser1o> Z =9N QQ stand >ori"ontal ser1o

Ser1o 1erticalN QQ 1ertical ser1o int ser1o1 Z =9N QQ stand 1ertical ser1o

int LDR[1al Z 9N QQBalor 5r!to o5tenido por el LDR \9@+9.,] int LDR[escalado Z 9N QQBaria5le en la ?!e almacenaremos el escalado@ 1alor \9@+99] int LDR[in1ertido Z 9N

QQ LDR pin connections int ldrlt Z 9N QQLDR top le0t int ldrrt Z +N QQLDR top rigt int ldrld Z .N QQLDR don le0t int ldrrd Z ,N QQldr don rigt ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

30



1oid set!pK ^ Serial#5egin=299KN QQ ser1o connections >ori"ontal#attac>=KN 1ertical#attac>+9KN _ 1oid loopK ^ int lt Z analogReadldrltKN QQ top le0t int rt Z analogReadldrrtKN QQ top rig>t int ld Z analogReadldrldKN QQ don le0t int rd Z analogReadldrrdKN QQ don rigt int dtime Z analogRead3KQ.9N QQ read potentiometers int tol Z analogRead/KQ3N

int a1t Z lt ` rtK Q .N QQ a1erage 1al!e top int a1d Z ld ` rdK Q .N QQ a1erage 1al!e don int a1l Z lt ` ldK Q .N QQ a1erage 1al!e le0t int a1r Z rt ` rdK Q .N QQ a1erage 1al!e rig>t int a1tot Z a1t à1dà1là1rKQ3N


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int d1ert Z a1t  a1dN QQ c>eck t>e di00irence o0 !p and don int d>ori" Z a1l  a1rNQQ c>eck t>e di00irence og le0t and rigt

i0 +Vtol Y d1ert  d1ert Y tolK QQ c>eck i0 t>e di00irence is in t>e tolerance else c>ange 1ertical angle ^ i0 a1t Y a1dK ^ ser1o1 Z ``ser1o1N i0 ser1o1 Y +;9K ^ ser1o1 Z +;9N _ _ else i0 a1t X a1dK ^ ser1o1Z ser1o1N i0 ser1o1 X 9K ^ ser1o1 Z 9N _ _ 1ertical#riteser1o1KN _


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i0 +Vtol Y d>ori"  d>ori" Y tolK QQ c>eck i0 t>e di00irence is in t>e tolerance else c>ange >ori"ontal angle ^ i0 a1l Y a1rK ^ ser1o> Z ser1o>N i0 ser1o> X 9K ^ ser1o> Z 9N _ _ else i0 a1l X a1rK ^ ser1o> Z ``ser1o>N i0 ser1o> Y +;9K ^ ser1o> Z +;9N _ _ else i0 a1l ZZ a1rK ^ QQ not>ing _ >ori"ontal#riteser1o>KN _ ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

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delaydtimeKN LDR[1al Z a1totN LDR[escalado Z mapLDR[1al@9@+9.,@9@+99KN Serial#printlnLDR[escaladoKN# lcd#5egin+2@ .KN QQDe0inimos la longit!d de n!estro monitor L&D lcd#printTIdc# L!minosidadTKN lcd#set&!rsor9@+KN lcd#printLDR[escaladoKN lcd#printT TKN delaydtimeKN _


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6. Concl)siones * reco(endaciones Se p!ede concl!ir tras el desarrollo de este dispositi1o seg!idor solar@ ?!e la implementación en Ard!ino nos da !na 5ase m!c>o m:s 0lei5le para tra5a6ar@ así tam5ién@ son posi5les 0!t!ros cam5ios e implementaciones de mód!los etras ya sea para tra"ado o monitoreo# Algo m!y importante en este proyecto en c!anto a 1ersatilidad es la posi5ilidad ?!e se tiene ?!e cam5iar la tar6eta de desarrollo Ard!ino U)O y es recomenda5le reali"ar este cam5io por la tar6eta Ard!ino EGA ./29# Am5as tar6etas son totalmente compati5les en programación y p!ertos 5:sicos@ sin em5argo la tar6eta Ard!ino EGA ./29 es capa" de mane6ar m:s peri0éricos@ es decir@ c!enta con !na mayor cantidad de p!ertos entradaQsalida@ lo c!al es de m!c>a !tilidad para el desarrollo de componentes etra de ser necesario y la compati5ilidad con n!estro programa original no se 1ería a0ectada en ningHn modo# Eiste !na o5ser1ación m!y importante ?!e no de5e ser pasada por alto@ el materia de armado en este caso se eligió la madera@ la ra"ón principal 0!e la económica@ se 5!scó la opción de reciclar material para red!cir los costos@ a!n así las ta5las de madera 0!eron !na 5!ena elección por s! proporción tama8opeso@ así tam5ién la d!re"a nat!ral ?!e tiene lo c!al nos da !na esta5ilidad en constr!cción@ a!n así se recomienda el me6orar la estr!ct!ra tanto del mód!lo sensor como de los 5ra"os de ser1omotor !tili"ando lamina de acrílico@ la c!al >a pro5ado ser resistente@ d!ra5le@ con !n peso relati1amente 5a6o y por lo c!al sería !n s!stit!to m:s ?!e acepta5le como material de constr!cción ?!e ay!daría a red!cir el peso de los elementos y el estrés mec:nico en los ser1omotores# &a5e mencionar este programa para seg!idor solar 0!e dise8ado en .99;@ por lo c!al se tiene en c!enta !n redise8o !tili"ando alg!na tar6eta de control Ard!ino con la c!al sea posi5le implementar sistemas de monitoreo o p!eda ser enla"ado a !n sistema de control@ las posi5ilidades son ilimitadas#


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An7lisis econ-(ico

En la reali"ación de este proyecto@ se trató de ?!e la mayor parte de los materiales necesarios para el armado del prototipo del seg!idor solar 0!eran reciclados@ lo ?!e ay!da a red!cir el gasto total del proyecto@ dentro del an:lisis se coloca todo material !tili"ado incl!ido material reciclado para tener !na 1isión glo5al de cómo se compone este proyecto en termino de materiales#

COMPONENTES ELECTRONICOS Concepto

Cantid ad

Valor

Re!"e#$!%

10 &'

4

P*"e#$!+,e"-* LDR. /*"*--e!"e#$!%

10 &'

2

2 M' 7)5  4)5 $,

4

C%e D*#"

15 $,

10

C%e %-% $!-$!"*

,e"-*

2

P%$% e-*-%%

Precio total

( 4)00 ( 15)00 ( 16)00 ( 13)00 ( 30)00 ( 10)00 ( 88)00

1

ELEMENTOS MECANICOS Concepto

Tipo

Se-*,*"*-e: 3001;<

Cantida d

2

Precio total

( (

450)00 450)00

TARJETA DE DESARROLLO Concepto

Tipo

Cantida d

T%-=e"% A-!#* : UNO R3 ERICK ALONSO MURGUIA MELENDEZ

1

Precio total

(

380)00 36



(

300)00

3Gasto de en%!o no incl)ido 8coti,ados * co('rados en9 tienda en l!nea ##:o;(s.co(5 tienda en l!nea (iniroot.co(.(0<

MATERIAL PARA ARMAZON Concepto

Medidas

T%% e ,%e-% C%-"+# *e $%%

2>20>0)5 $,

Cantid ad

Precio total

6

?

10>10 $, 27)9>35)6 $,

1

?

1

?

C%*

2$,

20

?

T*-#!e-@% %-!%

%-!%

10

?

100 ,

1

;*=% e %$-@!$*

Pe%,e#"*

GASTOS DE OPERACIÓN Concepto

A,!#!"-%"! * M%#* e *-% T-%#*-"e B %"* e e#!*

Inversión

( ? ( ? ( 100)00 ( 100)00


5)00 ( 5)00

( ( ( ( ( (

( 88)00 ( 450)00 ( 380)00 ( 5)00 ( 100)00 ( 1023)00

37



=. A'>ndices a< Es'eci$icaciones de las 'rinci'ales 'lacas Ard)ino.


38



?. @iliora$!a


39

Proyecto Seguidor Solar autonomo

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