Objetivos
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Fundame undamenta ntarr el uso uso de la la tecnol tecnologí ogía a Ardui Arduino no para para diseño diseños s de dispositivos de seguimiento solar. solar. Desarr Desarroll ollar ar un proye proyecto cto capaz capaz de de captar captar lumin luminosi osidad dad solar solar..
Introducción
Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la ierra cuatro mil veces más energía !ue la !ue se "a de consumir. #l Sol, $uente de vida y origen de las demás $ormas de energía !ue el ser "umano "a utilizado desde los albores de la "istoria, puede satis$acer todas nuestras necesidades si aprendemos c%mo aprovec"ar de $orma racional la luz !ue continuamente derrama sobre el planeta. &a brillado en el cielo desde "ace unos cinco mil millones de años, y se calcula !ue todavía no "a llegado ni a la mitad de su e'istencia. (a energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovec"amiento de la radiaci%n electromagn)tica electromagn)tica procedente del Sol. #n la actualidad, el calor y la luz del Sol pueden aprovec"arse por medio de diversos dispositivos captadores, pudiendo trans$ormarse en energía el)ctrica o t)rmica. #s una de las llamadas energías renovables o energías limpias, !ue podrían ayudar a resolver algunos de los problemas más urgentes !ue a$ronta la "umanidad. #l desarrollo de tecnologías solares limpias, baratas e inagotables supondrá un enorme bene*cio a largo plazo. eniendo un sinn+mero de ventajas debido a !ue aumentará la seguridad energ)tica de los países mediante el uso de una $uente de energía local, inagotable y, a+n más importante, independiente de importaciones, aumentará la sostenibilidad, reducirá la contaminaci%n, disminuirá los costes de la mitigaci%n del cambio climático, y evitará la subida e'cesiva e'cesiva de los precios de los combustibles $%siles. #stas ventajas son globales.
¿Cómo funcionan los paneles solares?
#l $uncionamiento de los paneles solares se basa en el e$ecto $otovoltaico, !ue se produce cuando, sobre materiales semiconductores convenientemente tratados, incide la radiaci%n solar produciendo electricidad. #n el momento en !ue !ueda e'puesto a la radiaci%n solar, los di$erentes contenidos en la luz transmiten su energía a los electrones de los materiales semiconductores !ue, entonces, pueden romper la barrera de potencial de la uni%n -, y salir así del semiconductor a trav)s de un circuito e'terior. #stas c)lulas $otovoltaicas se combinan de muy diversas $ormas para lograr tanto el voltaje como la potencia deseados y de este modo poder conseguir !ue la energía solar se acabe convirtiendo en energía !ue poder consumir. #l sol libera muc"as partículas de energía di$erentes, pero s%lo los $otones son necesarios para generar energía solar. #l $ot%n act+a como un martillo en movimiento, +nicamente cuando las placas negativas se colocan de $orma particular "acia el sol, por lo !ue los $otones bombardean esos átomos de silicio y $%s$oro, rompiendo electrones y liberando algunos. (a electricidad generada por una +nica c)lula solar no es muc"a, pero unidas todas por los "ilos conductores permite generar más energía. (o !ue no se utiliza vuelve nuevamente a las placas negativas y el proceso comienza otra vez. Allí radica el problema de los paneles solares !ue tienen gran tamaño y producen poca energía. Además, si el ángulo cambia tan solo un poco, la e*ciencia se puede reducir "asta un /01.
Ventajas de los paneles solares
(o paneles solares tienen una serie de ventajas !ue los convierten en una de las alternativas de $uturo más s%lidas. #n primer lugar, su ventaja más evidente es !ue son capaces de trans$ormar los rayos solares en energía. Se trata, por tanto, de una energía totalmente renovable e inagotable. or otro lado, es una $orma de producir energía totalmente limpia. (os paneles solares no necesitan de procesos !uímicos, no necesitan combusti%n. #s decir, no emiten ning+n tipo de sustancias contaminantes a la atm%s$era y no contribuyen al cambio climático y al e$ecto invernadero. 3sando paneles solares se terminaría el problema del almacenamiento de residuos. (os combustibles $%siles tardan años en desaparecer, llenar a rebosar los vertederos y contaminan el aire, la tierra y el agua. or no "ablar del almacenamiento de los residuos resultantes de la energía nuclear. 4on la energía solar se terminarían los desastres naturales como los ocurridos en centrales nucleares como 4"ernobyl o Fu5us"ima y otros !ue se repiten cada cierto tiempo, como los vertidos de petr%leo !ue destrozan las costas y los ecosistemas marinos. 4ontribuyen a la autosu*ciencia. (os paneles solares permitirían, por ejemplo, el acceso a la electricidad en zonas donde ni si!uiera llega el tendido el)ctrico. #stos paneles pueden instalarse a gran escala, para producir energía en grandes cantidades, o en $orma de pe!ueñas instalaciones caseras, para servir de energía de apoyo. (as posibilidades son m+ltiples. o necesitan de un mantenimiento laborioso y suelen tener una vida +til de unos 60 años.
Desventajas de los paneles solares
(a principal desventaja de los paneles solares es !ue la energía solar se trata de una energía poco implantada y, sobre todo, poco apoyada por las grandes compañías energ)ticas. #n algunos países, entre los !ue se puede contar #spaña, la energía solar no representa ni un 0,61 del total de energía !ue se produce. Además, las tasas e impuestos !ue gravan este tipo de instalaciones son demasiado elevadas para !ue una persona con ingresos medios se pueda arriesgar a usar la energía solar. or otra parte, entre las pocas desventajas !ue se pueden citar es !ue los paneles necesitan de una ubicaci%n y posici%n determinada para $uncionar a pleno rendimiento y no son tan e$ectivos en zonas donde "aya menos sol.
Tipos de paneles solares
aneles de $ormato 7baldosa o teja8 Son paneles de pe!ueño tamaño, y están especialmente pensados para ser combinados en gran n+mero, de $orma !ue cubran grandes super*cies. aneles con sistemas de concentraci%n A trav)s de unas super*cies re9ectantes, concentra la luz sobre los di$erentes paneles $otovoltaicos. Aun!ue el porcentaje de conversi%n tienda a no variar, una misma super*cie de panel producirá más electricidad ya !ue recibe una cantidad concentrada de $otones. aneles solares bi$aciales Son paneles especiales basados en un tipo de panel capaz de trans$ormar en electricidad la radiaci%n solar !ue le recibe por absolutamente cual!uiera de sus dos caras.
Seguidor solar
3n seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de $orma !ue )stos permanezcan apro'imadamente perpendiculares a los rayos solares. 4uando esto ocurre, la radiaci%n solar captada es má'ima. #stos dispositivos pueden aumentar el rendimiento de los paneles solares entre un :01 y un ;01. (os sistemas de seguimiento solar pueden utilizarse para obtener calor y energía el)ctrica tanto en viviendas como en grandes complejos urbanísticos o industriales.
#l proyecto del seguidor solar es de dos ejes
permiten minimizar el consumo el)ctrico.
Tipos de Seguidores solares:
#n los sistemas $otovoltaicos e'iste la posibilidad de implementar un dispositivo adicional con el *n de aumentar la captaci%n de radiaci%n solar y por ende la energía suministrada por la instalaci%n, tal dispositivo es un seguidor solar. 3n seguidor solar es un dispositivo con$ormado básicamente por una parte *ja y una m%vil, cuya *nalidad es el aumento de la captaci%n de radiaci%n solar, para lo cual cuenta con una super*cie de captaci%n !ue debe permanecer perpendicular a los rayos del sol durante el día y dentro de su rango de movimiento. (os seguidores solares pueden ser clasi*cados seg+n el tipo de movimiento !ue realicen y seg+n el algoritmo de seguimiento.
Seg+n el tipo de movimiento
Seguidor de un solo eje (a rotaci%n de la super*cie de captaci%n se "ace sobre un solo eje, este puede ser "orizontal, vertical u oblicuo. #ste tipo de seguimiento representa un mínimo grado de complejidad y su costo es menor en comparaci%n con otros tipos de seguidores. (a limitaci%n de este tipo de seguidor consiste en !ue no puede realizar un seguimiento completo del sol ya !ue solo puede seguir ya sea la azimut o la inclinaci%n solar, pero no ambas. (os $abricantes de dispositivos de seguidores solares de un eje de*enden !ue la energía adicional obtenida con un eje dual es $recuentemente perdida como consecuencia de los costes adicionales de instalaci%n y mantenimiento. ales sistemas tienen además un riesgo de $allo más elevado. •
3n solo eje "orizontal. #ste tipo de seguidor tiene el eje "orizontal respecto al suelo. #n este caso, el eje "orizontal está orientado orte-Sur, y a lo largo del día los paneles "orizontales girarán sobre este eje, siguiendo el movimiento aparente del Sol. #ste tipo de seguidor es aceptable en latitudes cercanas al ecuador.
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3n solo eje vertical. #n este caso el eje está vertical respecto al suelo. #n latitudes lejanas al ecuador son recomendables este tipo de seguidores. (os paneles suelen estar orientados con un ángulo respecto al eje de rotaci%n, y cuando giran $orman un cono alrededor del eje.
3n solo eje inclinado. (os seguidores de un solo eje !ue no sea ni vertical ni "orizontal, es un seguidor de eje inclinado. (os paneles están inclinados con la misma inclinaci%n del eje, y cuando giran $orman un cilindro alrededor de este eje. 3na variaci%n de este tipo de seguidor es la !ue tiene la inclinaci%n igual a la latitud donde se encuentra la instalaci%n, con una orientaci%n de su eje de polo a polo. #s decir !ue apunte a un polo celeste, simulando con su movimiento el de (a ierra, solo !ue en sentido contrario.
Seguidor de dos ejes #ste tipo de seguidor cuenta con dos grados de libertad y está en capacidad de realizar un seguimiento total del sol, tanto en inclinaci%n como en azimut, aun!ue el rendimiento de la instalaci%n puede ser superior en comparaci%n con los de un solo eje, es importante mencionar !ue el de dos ejes resulta ser más costoso. •
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Seguidor de dos ejes de inclinaci%n <>->(=. #ste tipo de seguidores tienen su eje primario "orizontal respecto a la tierra. #l eje secundario es perpendicular al primario. (os ejes de rotaci%n de este tipo de seguidor están típicamente alineados con el orte magn)tico o con alg+n paralelo #ste-?este. 3no de los ejes permite orientar al panel en su posici%n orte-Sur y el otro en la posici%n #ste-?este !ue se encuentre el Sol en el cielo.
Seguidor de Azimut-Altitud. #ste tipo de seguidor tiene su eje primario vertical respecto al suelo. #l eje secundario es perpendicular al primario. #ste tipo de seguidor de dos ejes es el más implementado debido a su sencillez en la estructura, además !ue no re!uiere estar a gran altura por sobre el suelo@ esto es especialmente importante en el caso de tratarse de grandes instalaciones. #ste tipo de seguidor ubica a los paneles solares $rente al Sol girando alrededor de su eje vertical un ángulo conocido como Acimut, y elevando la
inclinaci%n de los paneles a la Altitud a la !ue se encuentra el Sol.
Seg+n tipo de Algoritmo de seguimiento
Seg+n luminosidad #l algoritmo de este tipo de seguidor basa su $uncionamiento en la señal entregada por uno o varios sensores, dependiendo de dic"a señal se envía un comando de control a uno o varios motores para !ue se posicionen en el punto más adecuado de luminosidad. #ste tipo de seguimiento resulta ser de $ácil implementaci%n.
rogramaci%n Astron%mica #ste tipo de seguidor presenta una total independencia de las condiciones climáticas ya !ue su algoritmo no re!uiere de sensores !ue indi!uen cual es el punto más luminoso. #l seguimiento en este caso depende +nicamente de una serie de ecuaciones !ue predicen la ubicaci%n del sol en cual!uier momento. Aun!ue este tipo de seguidor resulta ser de gran precisi%n cabe mencionar !ue la implementaci%n del algoritmo representa un alto grado de complejidad.
Funcionamiento de un Seguidor Solar 3n seguidor solar es una especie de girasol mecánico, ya !ue su misi%n consiste en !ue sus paneles solares sigan al Sol desde su salida "asta su puesta. De esta manera, aprovec"an la radiaci%n solar muc"o mejor !ue los sistemas solares *jos. (a gran variedad de prototipos permite su uso de manera ase!uible a grandes y pe!ueños consumidores, por lo !ue cada vez más empresas desarrollan dispositivos muy diversos para poder satis$acer las demandas de los clientes e innovar en esta tecnología. (os seguidores solares pueden manejarse desde un control manual "asta ser controlados por un ordenador !ue determina la posici%n del sol
basándose en un programa sobre posicionamiento solar o utilizando sensores !ue determinan la incidencia de luz !ue reciben. #l Seguidor solar $unciona mediante el uso de dos $otorreceptores en cada eje de movimiento. #stos sensores captan la radiaci%n solar, por lo !ue una di$erencia entre ellos sobre una misma línea recta será indicio de !ue el sol no está ubicado de manera perpendicular. 4omo se muestra en el es!uema siguiente, la intensidad de radiaci%n solar captada por los sensores no es la misma, ya !ue el sol no se encuentra perpendicular a ellos.
#ste tipo de arreglos de (DBs se utilizan mayormente para uso en rob%tica, cuando es necesario !ue un dispositivo sea guiado por un "az de luz para un determinado *n. ero tambi)n es utilizado en seguimiento solar, aun!ue para otras aplicaciones. De las *guras se desprende !ue la precisi%n de este tipo de arreglos depende de varios parámetros, por ejemplo las características propias de las (DBs, la separaci%n entre ellas, el anc"o del tabi!ue, etc. #ntre más cerca est)n las $otorresistencias del tabi!ue el sistema será más sensible, ya !ue una ligera variaci%n en la posici%n del Sol "ará sombra sobre alguna (D@ pero depende además de la altura del tabi!ue, !ue al ser pe!ueño disminuye la sensibilidad, puesto !ue la sombra es más pe!ueña. (a longitud del tabi!ue no es muy importante ni su anc"ura, simplemente limitarán el 7"orizonte8 de las (DBs, para !ue no tomen luz de debajo de ellas. or medio de un sistema de control con Arduino, la di$erencia en la intensidad de radiaci%n solar es traducida a movimientos de los motores
!ue regulan la posici%n del seguidor solar, de esta manera nos aseguramos de siempre tener la mayor incidencia de los rayos solares. 4uando la intensidad solar captada por ambos sensores sea prácticamente igual, los motores se detendrán y el seguidor solar !uedará posicionado de tal $orma !ue el sol incidirá perpendicularmente sobre ellos. ara controlar el movimiento del seguidor solar utilizamos una placa Ardunio y $unciona de la siguiente manera la placa lee en sus entradas anal%gicas el valor de la tensi%n de las $otorresistencias, dic"o valor es variable en $unci%n de la cantidad de luz !ue cada $otorresistencia reciba, cuando ambas reciban la misma cantidad de luz entonces no "abrá movimiento, de lo contrario los motores se moverán para e!uilibrar las $otorresistencias "asta !ue ambas reciban una misma cantidad de luz. A continuaci%n se presenta una prueba en protoboard del $uncionamiento del motor y las $otorresistencias.
#n el siguiente es!uema, se puede ver el $uncionamiento mecánico del seguidor solar.
#ste diseño permite dos grados de libertad, permitiendo movimientos en el eje vertical y movimiento de azimut, lo cual permite siempre posicionar el panel solar de manera %ptima para aprovec"ar la mayor cantidad de la radiaci%n solar. #l movimiento azimutal se realiza mediante el accionamiento de un motor azimutal sobre una corona dentada situada en la base del seguidor. #l seguimiento de la elevaci%n solar se realiza mediante un actuador lineal de accionamiento con un servomotor. #l seguidor permite el giro de la estructura soporte y de la super*cie $otovoltaica en un rango de 6;0C en el eje azimutal y de 0C en el plano inclinado. 4omo medida de seguridad, el sistema de giro azimutal permite a la estructura resbalar sobre la corona en casos de vientos e'tremadamente $uertes protegiendo los mecanismos de transmisi%n. #l resto de e!uipos !ue incorpora el seguidor !uedan *jados sobre la estructura central #l dispositivo seguidor consta de cuatro etapas básicas • • • •
ecepci%n y acondicionamiento de la señal de entrada. rocesamiento de la señal. #tapa de control. #tapa de potencia.
(a rutina de orientaci%n es la encargada de encontrar la posici%n en los ejes de azimut y de altura en !ue se encuentra el Sol en ese momento. #sta se encarga de mover los motores de pasos en busca del menor valor de resistencia de las $otorresistencias, esta es la posici%n donde debe estar el Sol. #l diagrama de 9ujo de la *gura siguiente muestra la rutina de orientaci%n del seguidor solar.
Ventajas: 3n seguidor solar es una má!uina aut%mata diseñada por el "ombre !ue cuenta con una parte *ja y otra m%vil !ue dispone de una super*cie de captaci%n solar lo más perpendicular al sol posible a lo largo del día y dentro de sus rangos de movimiento !ue le permiten aumentar la e*ciencia o rendimiento productivo a la pantalla $otovoltaica mediante su área e$ectiva. Dic"o esto, y como todo en la ciencia y en la vida, tiene sus puntos a $avor, así como sus contras !ue se presentaran en líneas posteriores.
3na de las ventajas más notables para un seguidor solar aut%mata es la incrementaci%n de la e*ciencia para la producci%n de energía el)ctrica, postrando los m%dulos $otovoltaicos perpendiculares al sol el mayor tiempo posible para el mayor aprovec"amiento del ciclo solar.
#l mantenimiento de este tipo de e!uipos es meramente mínimo, puesto !ue el motor y sus componentes electr%nicos !ue puedan ser más susceptibles a la lluvia e intemperie se encuentran protegidos por el modulo mismo y por el diseño de sus respectivos medios de cuidado. Asimismo, el e!uipo de investigaci%n objeta en el desarrollo del seguidor a!uí e'puesto, el cual posee una ventaja competitiva en contraste con la mayoría de otros seguidores en el mercado, los cuales son programables para seguir una trayectoria con respecto del día, la "ora y la estaci%n del año, en comparaci%n con el seguidor a!uí presentado, el cual realiza puntos de comparaci%n luminosa con respecto de la trayectoria del eje lineal al !ue obedece, llevando a cabo pe!ueños movimientos bidireccionales !ue posicionan el área e$ectiva de captaci%n en el punto con mayor índice luminoso. Desventajas: (a primera desventaja !ue posee el seguidor solar es la radiaci%n di$usa en días nublados, para lo cual el $uncionamiento comparador del seguidor simplemente ubicara el panel al mayor punto luminoso, no e'istiendo un claro panorama para ubicarlo en alg+n modo de seguridad.
or otra parte siguiente desventaja con la cual todos los seguidores cuentan es la dependencia del banco de baterías, ya !ue el motor y el arduino !ue se utilizan re!uieren la tensi%n y la corriente !ue una batería aparte, la cual si no puede ser cargada por un tiempo considerable puede ocasionar problemas t)cnicos.
lementos a utili!ar:
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Arduino uno 6 micro servo motores ; (D rotoboard 4ables uercas y tornillos artes impresas de >mpresora :D
"rimer ensamblaje
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Seguidor solar montado
Código de #rduino:
Einclude Servo."G HH (ibrería Servo Servo "orizontal@ HH servo "orizontal int servo" I J0@ HH posici%n servo "orizontal Servo vertical@ HH servo vertical int servov I J0@ HH posici%n servo "orizontal vertical HH (D cone'iones de pines HH name I analogpin@ int ldrlt I 0@ HH(D iz! arriba int ldrrt I K@ HH(D der arriba int ldrld I 6@ HH(D iz! abajo int ldrrd I : @ HHldr der abajo void setup<= L Serial.begin
i$
M
#plicaciones diarias or un lado, se pueden aprovec"ar para producir agua caliente de uso dom)stico o para instalaciones colectivas. #ntre otros usos
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#gricultura: >nstalaciones de bombeo de agua
>nstalaci%n de bombeo de agua. •
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ambi)n para la e'tracci%n de agua en pozos aislados mediante bombeo. Industria: rotecci%n cat%dica de gaseoductos, oleoductos y otros tipos de tuberías@ provisi%n de potencia en general, en particular para cargas el)ctricas limitadas
>ndustria.
•
Telecomunicaciones: epetidores de radio y televisi%n aparatos tele$%nicos@ estaciones repetidoras y de transmisi%n de datos
sobre la presencia de incendios=, a menudo muy +tiles en servicios de protecci%n civil.
epetidor de televisi%n •
Sanidad: Sobre todo re$rigeradores, muy +tiles en particular en los aíses en vías de desarrollo para la conservaci%n de vacunas y sangre.
e$rigeradores para vacunas. •
Servicios p$blicos: >luminaci%n de calles y jardines y de paradas de medios de transporte p+blico@ señalizaci%n vial.
>luminaci%n de calles. •
%esidencial: rovisi%n de energía
>luminaci%n de residencias. •
•
Tiempo libre: 4arga de las baterías de las embarcaciones y de las auto caravanas.
Su producci%n energ)tica puede servir para abastecer de electricidad a lugares sin cone'i%n a la red el)ctrica.
Uarrios rurales.
Conclusión
#l desarrollo de )ste es más !ue sustentable ya !ue su uso se proyecta a largo plazo, esto considerando !ue a nuestro Sol le !uedan / mil millones de años de vida, solo en el estado en el !ue actualmente lo conocemos. Así, mediante paneles solares y tecnologías podremos dar soluci%n a problemas !ue acogen a la mayor parte de la poblaci%n. Además encontramos !ue la tecnología arduino resulta bene*ciosa en cuanto al desarrollo de proyectos de sostenibilidad.
nlaces
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