Servomecanismo guiado por luz solar Alejandro Peña 202066673 [email protected] Sebastián G. Bermeo 202066695 [email protected] José L. Restrepo. 202159533 [email protected] RESUMEN La energía solar fotovoltaica es una alternativa para suplir el aumento de la demanda energética actual, ya que se aprovecha un recurso natural como lo es la luz solar y a la hora de producir energía no genera grandes impactos ambientales en comparación a las fuentes convencionales que usan recursos fósiles, pero, así como el sistema solar fotovoltaico tiene una alta tasa de eficiencia, esta se ve afectada por muchos factores, principalmente el ángulo de inclinación perpendicular del panel solar hacia el sol para recibir la radiación. Por lo cual se genera una solución la cual es un servomecanismo guiado por luz solar con ayuda de fotorresistores. Palabras clave: radiación, servomecanismo, fotorresistores, recursos fósiles, panel solar. Abstract— Photovoltaic solar energy is an alternative to meet the increase in current energy demand, since it takes advantage of a natural resource such as sunlight and when producing energy, it does not generate large environmental impacts compared to conventional sources that use natural resources. but, just as the photovoltaic solar system has a high rate of efficiency, this is affected by many factors, mainly the angle of perpendicular inclination of the solar panel towards the sun to receive radiation. Therefore, a solution is generated which is a servomechanism guided by sunlight with the help of photoresistors. Keywords: radiation, servomechanism, photoresistors, fossil resources, solar panel. I. INTRODUCCIÓN olombia es un país que cuenta con gran cantidad derecursos naturales, lo que le ha permitido obtener energía a partir de fuentes limpias como lo son el aire, agua y el sol; sin embargo, el mayor recurso de generación es hídrico, lo que hace que el sistema sea vulnerable a eventos extremos como el fenómeno del Niño, no obstante, existen diversos proyectos energéticos basados en generación solar, eólica, térmica. La energía solar -aprovechada a partir de la radiación electromagnética del sol- se presenta como una fuente de C energía renovable en la cual la región cuenta con posibilidades de desarrollo. Actualmente, existen dos tipos de generación de energía solar: los sistemas fotovoltaicos y la electricidad solar de concentración. -Sistemas fotovoltaicos: utilizan células fotovoltaicas para convertir la radiación solar en electricidad. Los paneles reciben los fotones que componen la luz del sol, y estos estimulan el intercambio de electrones entre dos placas semiconductoras, generando un circuito eléctrico. -Electricidad solar de concentración: consiste en un campo de espejos reflectores que concentran la luz del sol para elevar la temperatura de un fluido térmico, por lo general sal derretida, que transporta el calor hasta un generador de vapor o un motor que se utiliza para generar electricidad. No es posible concentrar la luz difusa, sólo la radiación directa. Una de sus ventajas es la posibilidad de almacenamiento térmico y la generación continua de electricidad, incluso horas después de que se haya ocultado el sol. El sistema fotovoltaico de paneles solares es el más viable parapoder generar energía solar, pero hay muchos factores tanto internos como externos al panel solar los cuales hacen perder la eficiencia de estos. Entre los factores más importantes que afectan esta eficiencia es el ángulo de inclinación de los paneles solares II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Un sistema fotovoltaico es el conjunto de equipos eléctricos y electrónicos que producen electricidad a partir de la radiación solar por medio del efecto fotoeléctrico. Los sistemas fotovoltaicos pueden ser autónomos e interconectados a la red eléctrica. Los sistemas autónomos por medio de un panel solar producen energía, para ser posteriormente almacenada en baterías para disponer en cualquier momento. En cambio, en las instalaciones fotovoltaicas interconectadas a la red de energía eléctrica se pone a disposición del usuario a través de la red eléctrica. Para esto se requieren equipos como un generador (panel solar), un inversor de voltaje, controladores de producción y consumo y el cableado para llevar a la red eléctrica. Para los dos sistemas se requiere que el panel solar se encuentre inclinado paralelamente hacia la luz del sol para así tomar la radiación y las células del panel se puedan alimentar y con esto tener la mayor eficiencia de este. Existen factores tanto internos como externos al panel, los cuales hacen que se pierda una gran cantidad de eficiencia a la hora de producir energía. Entre los factores más importantes que afectan esta eficiencia es el ángulo de inclinación de los paneles solares ya que esta incide en la radiación solar que llega a la superficie de las células. Cuando el panel se sitúa perpendicularmente en dirección al sol recibe la máxima radiación por un intervalo de tiempo, considerándose este el ángulo de inclinación óptimo. Este ángulo está afectado por factores como la latitud, las características de la radiación solar y el periodo de utilización ¿Cómo se puede solucionar la problemática referente al ángulo de inclinación del panel solar? III. JUSTIFICACIÓN Existen mecanismos móviles los cuales por medio de motores pueden girar a una cierta cantidad de grados, también existen fotorresistores los cuales por medio de la luz (si es muy incidente) su resistencia baja haciendo que se puedan guiar los servomotores hacia la dirección en la que estos detectaron esa cantidad de luz solar. Basados en estos elementos se crea un prototipo base que pueda mover el panel solar tanto vertical como horizontalmente y así aprovechar la radiación del sol para tener una mayor efectividad en la generación de energía. IV. OBJETIVOS ha democratizado el acceso a fuentes de energía verde. Estas son algunas de las ventajas y beneficios de este tipo de energía: ● Es ecológica, una fuente inagotable (el Sol estará con nosotros durante los próximos millones de años), y su transformación en energía térmica o fotovoltaica no produce residuos (al contrario que la nuclear o las energías fósiles). ● Tiene un menor impacto en el medio. Aunque otras energías renovables son también inagotables y sin residuos, el impacto de la solar es menor. Por ejemplo, los aerogeneradores de eólica tienen un impacto negativo en las aves, igual que las instalaciones hidráulicas en los peces de los ríos. Esto no sucede con las instalaciones solares. OBJETIVO GENERAL Creación de un prototipo de servomecanismo guiado por luz para mejorar la eficiencia de la captación de luz solar para la producción de energía. OBJETIVOS ESPECÍFICOS -Realizar los estudios sobre eficiencia de producción de energía solar en el panel solar -Realizar los planos y diseños de los circuitos como de la base del servomecanismo ● Es reaprovechable. Uno de los problemas de las energías renovables es que son irregulares (dependen de que sople el viento, de que baje el río, de que suba la marea o de que luzca el sol). Pero gracias al progreso tecnológico, ahora ya se puede almacenar la energía s olar para transformarla en electricidad según demanda, o aprovechar los excedentes generados. ● Es democrática. La instalación de los paneles solares ha ido bajando de precio paulatinamente, por lo que casi todo el mundo puede acceder al autoconsumo solar con placas solares propias en su hogar o edificio de vecinos. Una manera de autoabastecimiento incluso para núcleos aislados de la red. -Montar y ensamblar los componentes -Realizar pruebas de ensayo y error del mecanismo V. MARCO TEÓRICO La energía solar es una energía renovable obtenida a partir de la radiación electromagnética del Sol. Se trata de una energía renovable porque se obtiene de una fuente natural e inagotable, en este caso el Sol. La energía solar se puede captar a través de células fotoeléctricas (que conforman los paneles fotovoltaicos que todos conocemos), helióstatos o colectores solares, que posteriormente la transforman en energía solar térmica (a través de la temperatura) o energía solar fotovoltaica (a través de la luz). También puede aprovecharse de forma pasiva con técnicas de arquitectura bioclimática y sostenible, como veremos a continuación. ¿Cuáles son los beneficios de la energía solar? Aunque hay otros tipos de energías renovables (como la eólica, hidráulica o geotérmica), la solar se ha popularizado como una de las energías renovables más fáciles de producir y ● Genera riqueza, empleo y contribuye al desarrollo sostenible. La reconversión del sector y el desarrollo de carreras relacionadas con la energía solar son cada vez más importantes, abarcando sectores que van desde ingenierías, instalación y operatividad. ● Reduce el uso de combustibles fósiles, y por lo tanto, de importaciones energéticas de petróleo, permitiéndonos así ser más autosuficientes como sociedad. La energía solar es una de las fuentes de energías renovables más fáciles de producir, especialmente la solar fotovoltaica, lo que está haciendo que se esté extendiendo su uso en las zonas climáticas con más horas de s ol. Aunque todavía hay mucho por mejorar para seguir transformando la energía procedente de fuentes no renovables (petróleo o carbón) en proveniente de fuentes renovables. ¿Qué tipos de energía solar existen? Dependiendo del origen y procesamiento de la energía solar, podemos dividirla en diferentes tipos: Energía solar térmica La energía solar térmica aprovecha la energía del sol para producir calor, que posteriormente se usa como fuente de energía tanto a nivel doméstico como a nivel industrial, transformándola en energía mecánica y a partir de ella en electricidad. de la radiación solar por medio del efecto fotoeléctrico el sistema fotovoltaico puede ser, sistema autónomo y sistema interconectado a la red eléctrica. Los sistemas autónomos por medio de un panel solar producen energía, para posteriormente ser almacenada en las baterías para disponer de ella en cualquier momento. En la Fig. 1.0 se presentan los equipos típicos que componen una instalación fotovoltaica autónoma. En el caso de la energía doméstica, estaríamos hablando de una instalación solar térmica de baja temperatura, con una instalación formada por colectores o captadores solares instalados en el tejado o en una parte soleada del edificio. Estos capturan la radiación solar y la convierten en calor, que se hace pasar por un circuito de tubos metálicos y que genera suficiente energía para el uso habitual en un hogar: agua caliente y calefacción. Pero la energía solar térmica también se puede aprovechar a gran escala. Hablamos de la planta termosolar o central térmica solar, grandes extensiones de terreno con colectores de energía solar de alta temperatura. Estas instalaciones operan a temperaturas superiores a 500ºC: transforman la energía térmica en energía eléctrica para abastecer a la red eléctrica tradicional, pudiendo abarcar grandes zonas de territorio . Además, las tecnologías actuales permiten almacenar el calor de una forma muy económica, pudiendo transformarla posteriormente en electricidad a medida que se necesita, regulando así la producción. Fig. 1.0 Componentes autónoma. de una instalación fotovoltai c a En las instalaciones fotovoltaicas interconectadas a la red, la energía se pone a disposición del usuario a través de la red eléctrica para esto se requiere unos equipos adicionales como se muestra en la Fig. 1.1 Energía solar fotovoltaica Al contrario que la solar térmica, la energía solar fotovoltaica consiste en obtener directamente la electricidad a partir de la radiación solar. Esto se consigue gracias a la instalación de paneles solares fotovoltaicos, que cuentan con células de silicio que transforman la luz y calor del sol en electricidad. Igual que en el caso de la solar térmica, estos paneles o placas solares pueden instalarse tanto a nivel doméstico en edificios y casas, como en grandes instalaciones – las conocidas como plantas fotovoltaicas. Las placas fotovoltaicas no producen calor, por lo que esta energía no se puede almacenar; sin embargo, los excedentes de esta energía fotovoltaica pueden verterse a la red de consumo, lo que se conoce como “excedente fotovoltaico”. Gracias a las placas fotovoltaicas se ha democratizado enormemente el autoconsumo de energía, es decir, que cada hogar p ueda producir su propia electricidad para el consumo propio. Entre los sistemas de producción de energía solar que hay se elige el tipo fotovoltaico ya que es el conjunto de equipo eléctricos y electrónicos que producen energía eléctrica a partir Fig. 1.1 Componentes conectada a la red de una instalación fotovoltai c a Estos sistemas con paneles solares son evaluados por medio de una fórmula de eficiencia. Eficiencia factor de forma La eficiencia en la conversión de energía corresponde al porcentaje de energía eléctrica en relación a la cantidad de energía luminosa recibida desde el sol, cuando el panel se encuentra conectado a un circuito eléctrico. Se determina con la ecuación: -Ángulo de inclinación de los paneles fotovoltaicos PROBLEMÁTICA En la Fig. 1.2 se muestra una gráfica teniendo en cuenta los puntos de voltaje y corriente. Fig. 1.2 curva de productos corriente-voltaje Los valores de voltaje de circuito abierto y corriente de circuito se pueden ver representados en la Fig. 1.3 Para poder hablar del proyecto, se debe hablar del problema que va a recibir una posible solución. En este caso el problema es un factor externo del panel el cual es el Ángulo de inclinación en los paneles fotovoltaicos. El ángulo de inclinación del panel incide en la radiación solar que llega a la superficie de las células. Cuando el panel se sitúa perpendicularmente en dirección al sol recibe la máxima radiación por un intervalo de tiempo, considerándose este el ángulo de inclinación óptimo. Este ángulo está afectado por factores como la latitud, las características de la radiación solar y el período de utilización SOLUCIÓN Ya entrado en materia con el problema se aborda la solución la cual es un sistema de seguimiento solar o más conocido como servomecanismo guiado por luz solar. Los seguidores solares se presentan como un avance tecnológico que busca disminuir totalmente las pérdidas debido a la inclinación fija que presenta el panel solar, ya que el seguidor tiene la capacidad de orientación hacia el sol, lo que permite al panel siempre estar orientado perpendicularmente al sol y de esta forma recibir la máxima radiación solar durante todo el día, para que de esta manera aumente su rendimiento VI. MATRIZ DE DECISIÓN Fig. 1.3 Células monocristalinas, película delgada y sus eficiencias. policristalinas, de Factores que afectan la eficiencia en los paneles fotovoltaicos En la última década se han desarrollado investigaciones para indentificar los factores que afectan el funcionamiento de los paneles foltovoltaicos, con el fin de mitiar sus efectos y lograr mejoras significativas en términos de eficiencia para este tipo de sistemas. Dichos factores se clasifican en propios o externos de acuerdo con su naturaleza, de operación o entorno respectivamente. Variaciones climáticas, alta tempratura de la célula solar y exposición al medio ambiente, por ejemplo , pueden afectar el rendimiento de los paneles solares considerablemente. Para poder crear la matriz de decisión se hizo la investigación de referencias hacia el proyecto que se va a realizar. Entre ellos se encontraron 3 prototipos acordes a las especificaciones pedidas. Para poder elegir el prototipo más viable se evaluaron 4 aspectos: -Viabilidad económica -Facilidad de fabricación -Presentación y estética -Funcionalidad. FACTORES EXTERNOS DEL PANEL Antes de agregar la matriz de decisión se hizo un estudio de uno de los aspectos (Viabilidad económica) ya que gracias a ello se pudo darle una calificación. -Efecto de las variaciones climáticas -Sombreado en la superficie del panel solar En las Figs 1.3, 1.4 y 1.5 se puede apreciar los distintos materiales a usar en los prototipos junto con la cantidad y sus respectivos precios. (Ver en anexos) Luego de analizar los valores de cada presupuesto se lleva a cabo la matriz de decisión haciendo que se decidiera usar la opción 1 con los siguientes valores calificativos en cada aspecto. 1 conector USB hembra A continuación, se explicará sus funcionamientos en base al proyecto. Procesos o pasos de funcionamiento -Los primeros componentes en el proceso de búsqueda de luz solar son los ldrs o más conocidos como fotorresistores censando en qué parte hay mayor radiación solar. Estos mandan señales con coordenadas a arduino. -Viabilidad económica: 4 -Facilidad de fabricación: 8 -Presentación y estética: 10 LDR Superior izq. Arduino Uno GND GND +5V VCC SIGNAL A0 -Funcionalidad: 10 Fig. 1.6 Matriz de decisión (Ver en anexos) VII. DESCRIPCIÓN DEL PROTOTIPO Y SU FUNCIONAMIENTO El prototipo a utilizar consta de los siguientes elementos electrónicos. 2 Servomotores MG996R Tabla 1 Conexiones del ldr sup izq. Con arduino. LDR Superior Derecho Arduino Uno 1 Arduino uno o ATMEGA328P GND GND 1 Placa de expansión +5V VCC SIGNAL A1 1 Pantalla LCD 4 LDR (sensores de luz) 1 Modulo elevador de voltaje MT3608 Tabla 2 Conexiones del ldr sup der. Con arduino. Baterías de litio 18650 1 Modulo Cargador TP4056 1 Botón interruptor LDR Inferior Izquierdo Arduino Uno LDR Inferior Derecho Arduino Uno GND GND GND GND +5V VCC +5V VCC SIGNAL A3 SIGNAL A4 Tabla 3 Conexiones del ldr Inf izq. Con arduino. Tabla 4 Conexiones del ldr Inf Der. Con arduino. 2 paneles solares de 6 volts conectadas en paralelo 1 Sensor de corriente ACS712 -Al mandarle las señales a arduino, este inmediatamente le da órdenes a los servomotores (servomotor vertical, servomotor horizontal) a que se muevan hacia las coordenadas antes dadas por los ldrs. Servomotor Horizontal Arduino Uno GND GND VCC VCC SENSOR ACS712 CONTROLADOR TP4056 PIN DE CARGA + IN+ Tabla 8. conexiones del sensor de carga TP4056 arduino. Para que el voltaje que consume el sistema y sus componentes sea el necesario se suministra un elevador de voltaje Este sistema va conectado al arduino y las salidas del controlador de carga TP4056. PWM D6 Tabla 5 Conexiones del Servomotor horizontal Con arduino. ELEVADOR DE VOLTAJE CONTROLADOR ARDUINO Uno Servomotor Vertical Arduino Uno VN+ OUT+ GND GND VN- OUT- VCC VCC VOUT+ VCC PWM D5 VOUT- GND Tabla 6 Conexiones del Servomotor Vertical Con arduino. Al estar posicionados los paneles solares en la coordenada con mejor radiación solar, estos comenzarán su proceso de alimentación de sus celdas, estas a su vez necesitan de un recipiente donde cargar más de su energía convertida. Para esto se necesita de un sensor de corriente, el cual como su nombre lo dice va a medir la corriente que pasa por los cables de los paneles solares. Este sensor estará conectado al arduino para poder luego guardar las señales y mostrarlas en una pantalla LCD 16x2 SENSOR ACS712 Arduino Uno GND GND +5V SIGNAL Tabla 9 conexiones del elevador de voltaje, el controlador de carga y arduino Para monitorear la corriente que pasa por los paneles solares se usa la pantalla LCD 16x2 con módulo I2C PANTALLA LCD ARDUINO Uno GND GND VCC 5V+ SDA SDA SCL SCL VCC A6 Tabla 7. conexiones del sensor de corriente ACS712 y arduino. Antes de conectar la pantalla LCD se pasa a darle alimentació n a las baterías de litio para que estas puedan alimentar luego el sistema guiado. Para esto se conecta al módulo de carga TP4056 Tabla 10 conexiones de la pantalla lcd y arduino Para probar que en realidad funciona el sistema de almacenamiento de corriente y voltaje se pone un módulo usb hembra para poder conectar un dispositivo y verificar que este prende. Este módulo va a estar conectado al módulo elevador de voltaje junto con las salidas que van a arduino. MODULO USB HEMBRA ELEVADOR DE VOLTAJE PIN DE CARGA + VOUT+ PIN DE CARGA - VOUT- En la fig. 1.7 se muestra el cronograma de actividades (ver en anexos) AVANCES DEL PROYECTO X. S IMULACIÓN Y MONTAJE FÍS ICO MODELO 3D DE LA IMPLEMENTAC IÓ N FÍS ICA DEL PROYECTO Tabla 11 conexiones de módulo USB hembra y elevador de voltaje. VIII. METODOLOGÍA FABRICACIÓN DE DISEÑO Y Para el diseño y fabricación del prototipo se tiene en cuenta varias fases: Fase 1: Elaboración de la estructura 3D Fase 2: Diseño de circuitos eléctricos y/o electrónicos Fase 3: Montaje físico de componentes en su estructura Fase 1: Elaboración de la estructura 3D Con esta fase se pretende elaborar el diseño de la estructura para que soporte el peso y puedan funcionar de manera óptima los componentes del sistema, después de esto se realiza la impresión del diseño final. Fase 2: Diseño de circuitos eléctricos y/o electrónicos Para esta fase se realizan los diseños y simulaciones de cómo se va a conectar eléctrica y electrónicamente los componentes para que funcionen correctamente y cooperen con total sinergia. Fase 3: Montaje físico de componentes en su estructura En esta fase al tener listas las 2 fases anteriores, se procede a conectar los componentes en la estructura, probar el sistema por si hay algún error, corregir y pulir detalles para que haya un correcto funcionamiento de este. IX. CRONOGRAMA Para la elaboración del proyecto se tiene en cuenta unas fechas estipuladas, las cuales se han organizado en un cronograma o diagrama de Gantt, teniendo en cuenta la fecha de entrega del preinforme (08-10-22) hasta la fecha de presentación y entrega del proyecto finalizado (6 al 10-12-22). En la Fig. se encuentra una fracción del cronograma de actividades. XI. MODELOS MATEMÁTICOS MODELO MATEMÁTICO DE LOS LDRS Un excitador o fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia se modifica, (normalmente disminuye) con el aumento de intensidad de luz incidente. Puede también ser llamado fotoconductor, célula fotoeléctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en inglés light-dependent resistor. Su cuerpo está formado por una célula fotorreceptora y dos patillas. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy alto cuando está a oscuras (varios megaohmios). Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor está 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 energía para saltar la banda de conducción. El electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ, o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante. Tiempo de respuesta Dependiendo del semiconductor usado en el ldr, en concreto tiene una sensibilidad especial a una frecuencia de luz que lo caracteriza. En la siguiente gráfica se puede mostrar la respuesta espectral de un ldr donde se aprecia la sensibilidad relativa y su longitud de onda. MODELO MATEMATICO DE LOS S ERVOMOTORES Antes de entrar en materia con el servomotor se debe tener en cuenta qué es un actuador: Parte importante en el seguimiento solar son los actuadores, dispositivos que transforman algún tipo de energía a un desplazamiento mecánico rotacional o lineal, estos son los encargados de transmitir el movimiento en el posicionamiento del seguidor. Existen diferentes dispositivos empleados como actuadores, por ejemplo: sistemas hidráulicos, neumáticos y eléctricos, estos se clasifican según su tipo de alimentación como motores de corriente Alterna (AC) o Directa (DC), estos últimos tienen mayor aplicación en los sistemas de control por su flexibilid ad en la manipulación de velocidad, posicionamiento y torque (Bolton, 2010). SERVOMOTOR Matemáticamente se puede demostrar su variación gracias a la siguiente fórmula: Un servomotor es un actuador de tipo especial que responde a una señal de entrada para ajustar su posición o velocidad, es decir obedece a un maestro (quien envía la señal) y funge como esclavo (efectúa la orden), la característica principal es su construcción interna. En la fig. 1.6 se puede apreciar las partes principales de un servomotor. Donde: R= Resistencia del LDR A, α = Dependen del semiconductor utilizado E= Densidad superficial de energía recibida. Gráficamente se muestra de esta manera la resistencia de los ldrs Fig. 1.6 Partes principales de un servomotor (obtenido de artículo científico) De igual manera hay existen factores como la posición (ángulo de inclinación, coordenadas de direccionamiento) del LDR para que éste pueda ser un fotoconductor o fotorresistor. Se puede lograr este factor por mecanismos o la misma mano humana, para este caso se usarán los servomotores, los cuales por medio de una estructura se mueven ayudando a los LDR posicionarse en un punto para convertirse en fotoconductores. El resultado de la comparación puede tomar dos posibles valores (Positivo o negativo) de acuerdo a la ecuación: Dónde: G es la ganancia interna del propio comparador, +V es el voltaje de entrada no inversora entrada de la señal MAP, y – V es el voltaje de entrada inversora voltaje del potenciómetro, Vo es el resultado de la comparación también llamado error de comparación, sí éste es positivo el motor dará un giro en un cierto sentido, de lo contrario sí el resultado es negativo el sentido de giro es opuesto al anterior. El desplazamiento angular de la flecha del motor se define en función de la magnitud de la diferencia del error, es decir, sí la diferencia es pequeña el desplazamiento angular será pequeño, sí la diferencia es mayor entonces el desplazamiento angular de la flecha del motor será mayor. La resultante de la salida del comparador se suministra a la etapa de potencia para proporcionar la corriente y voltaje necesario al motor, el incremento de torque se lleva a cabo en la etapa de engranes para el movimiento de la carga final, el servomotor se puede resumir como un sistema de lazo cerrado con retroalimentación . FUNCIONAMIENTO DEL SERVOMOTOR (CONTROL PWM) La modulación por anchura de pulso, PWM (Pulse Width Modulation), es una de los sistemas más empleados para el control de servos. Este sistema consiste en generar una o nda cuadrada en la que se varía el tiempo que el pulso está a nivel alto, manteniendo el mismo período (normalmente), con el objetivo de modificar la posición del servo según se desee. Para la generación de una onda PWM en un microcontrolador, lo más habitual es usar un timer y un comparador (interrupciones asociadas), de modo que el microcontrolador quede libre para realizar otras tareas, y la generación de la señal sea automática y más efectiva. El mecanismo consiste en programar el timer con el ancho del pulso (el período de la señal) y al comparador con el valor de duración del pulso a nivel alto. Cuando se produce una interrupción de overflow del timer, la subrutina de interrupción debe poner la señal PWM a nivel alto y cuando se produzca la interrupción del comparador, ésta debe poner la señal PWM a nivel bajo. En la actualidad, muchos microcontroladores, como el 68HC08, disponen de hardware específico para realizar esta tarea, eso sí, consumiendo los recursos antes mencionados (timer y comparador). En la fig. 1.7 se muestra el rango de operación del servomotor. operación, que se corresponden con el ancho del pulso máximo y mínimo que el servo entiende. Los valores más generales se corresponden con pulsos de entre 1 ms y 2 ms de anchura, que dejarían al motor en ambos extremos (0º y 180º). El valor 1.5 ms indicaría la posición central o neutra (90º), 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, pudiéndose conseguir ángulos mayores de 180°. Si se sobrepasan los límites de movimiento del servo, éste comenzará a emitir un zumbido, indicando que se debe cambiar la longitud del pulso. El factor limitante es el tope del potenciómetro y los límites mecánicos constructivos. El período entre pulso y pulso (tiempo de OFF) no es crítico, 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 mínimo, puede interferir con la temporización interna del servo, causando un zumbido, y la vibración del eje de salida. Si es mayor que el máximo, entonces el servo pasará a estado dormido entre pulsos. Esto provoca que se mueva con intervalos pequeños. Es importante destacar que para que un servo se mantenga en la misma posición durante un cierto tiempo, es necesario enviarle continuamente el pulso correspondiente. De este modo, si existe alguna fuerza que le obligue a abandonar esta posición, intentará resistirse. Si se deja de enviar pulsos (o el intervalo entre pulsos es mayor que el máximo) entonces el servo perderá fuerza y dejará de intentar mantener su posición, de modo que cualquier fuerza externa podría desplazarlo. En la figura 1.8 se muestra el tren de pulsos para el control del servomotor Fig 1.8 tren de pulsos para control de servomotor (tomado de artículo científico) MODELO MATEMÁTICO DEL PANEL SOLAR Fig. 1.7 rango de operación del servomotor (tomado de artículo científico) El sistema de control de un servo se limita a indicar en qué posición se debe situar. Esto se lleva a cabo mediante una serie de pulsos tal que la duración del pulso indica el ángulo de giro del motor. Cada servo tiene sus márgenes de El panel solar es un conjunto de celdas fotovoltaicas. Una celda fotovoltaica, es un dispositivo electrónico que permite transformar energía luminosa (fotones) en energía eléctrica (electrones) mediante el efecto fotoeléctrico. Las celdas están conformadas por materiales semiconductores que controlan el flujo de electrones para formar corrientes eléctricas. Como se puede observar en la Fig. 1.9 la célula contiene dos capas de materiales semiconductores. La capa superior de tipo N (carga negativa) se encuentra dopada con átomos de fósforo y la capa inferior de tipo P (carga positiva) generalmente se encuentra dopada con átomos de boro . En la fig. 2.1 se muestran los tipos de células solares fabricadas y su porcentaje de eficiencia. Fig. 1.9 Composición de una celda fotovoltaica (tomada de artículo científico) Cuando un rayo de luz incide sobre la celda, se libera un electrón de la capa P que es atraído por la carga de la capa positiva N, el desplazamiento del electrón deja un hueco cerca de la unión de estas dos capas, otro electrón próximo a la capa P asciende para llenar el hueco. A medida que la luz incide en la celda, liberan electrones produciendo una corriente eléctrica, a este fenómeno se le denomina efecto foto eléctrico como el que vamos a apreciar en la fig. 2.0 Fig. 2.1 Tipos de células solares fabricadas (tomada de artículo científico) EFICIENCIA DEL PANEL SOLAR La conversión de energía y el factor de forma son dos métodos para determinar la eficiencia de panel fotovoltaico. En ambos casos es indispensable conocer el punto de máxima potencia (𝑃𝑚𝑝), el 𝑃𝑚𝑝 corresponde cuando el panel puede entregar su máxima potencia. Este se obtiene cuando el voltaje (Vmp) y la corriente (Imp) alcanzan sus valores máximos de forma simultánea. Este valor se determina de acuerdo a la ecuación Fig. 2.0 Flujo de electrones en una célula solar (tomada de artículo científico) TECNOLOGÍAS DE FABRICACIÓN DE CÉLULAS SOLARES Los módulos fotovoltaicos están compuestos por células solares, estas comúnmente se fabrican de silicio ya que este material existe en gran abundancia en la tierra, cuenta con una baja tasa de contaminación, presenta una alta durabilidad en el tiempo y cuenta con sobresalientes propiedades fisicoquímicas . Las células de silicio se pueden clasificar en tres tipos dependiendo su proceso de fabricación: Celdas solares mono cristalinas, poli-cristalinas y de película delgada o amorfas . En la gráfica de la fig. 2.2 se muestra la curva de productos corriente-voltaje - Cargador de carga TP4056 para que éste a la hora que funcione el sistema, pueda cargar las baterías. Estas baterías son de litio a 3,7 volts, se conecta en paralelo a una caja almacenadora de baterías para que éste pueda tener mayor almacenamiento a cargar. En las figs. 2.3 y 2.4 se puede apreciar las conexiones de la fuente. Fig 2.2 Curva de productos corriente-voltaje (tomada de artículo científico) EFICIENCIA EN LA CONVERSIÓN DE ENERGÍA Corresponde al porcentaje de energía eléctrica generada en relación a la cantidad de energía luminosa recibida desde el sol. Cuando el panel se encuentra conectado a un circuito eléctrico. Se determina con la siguiente ecuación. Donde 𝐸: Nivel de radiación sobre la superficie del panel (𝑊/𝑚^2), bajo condiciones estándar. 𝐴𝑐: Superficie del panel fotovoltaico (m^2) Fig. 2.3 Conexión entre controlador de carga y fuente EFICIENCIA DEL FACTOR DE FORMA Define la eficiencia de un panel solar, relacionando el punto de máxima potencia, dividido por el producto entre el voltaje a circuito abierto y la corriente de cortocircuito. Como se muestra en la siguiente ecuación. Fig. 2.4 Diagrama de conexión entre controlador de carga y fuente. V0c: Voltaje a circuito abierto Isc: Corriente de cortocircuito XII. DIAGRAMA INTERNO DE BLOQUES Para generar un diagrama de bloques de un prototipo se debe tener en cuenta cuáles son sus componentes, sus conexiones e interacción para el correcto funcionamiento de este. Al realizar este proyecto se tiene en cuenta todos los componentes que se necesitan, sus conexiones para que haya una buena operación del proyecto y ahora se va a mostrar de manera detallada el funcionamiento por pasos. Como primera medida para todo proyecto es que éste tenga una fuente de donde tomar la corriente y alimentarse. Por eso se empieza con la batería. Esta tiene conexiones hacia: Al tener una fuente de donde obtener corriente, este pasa hacia el interruptor del sistema haciendo que este conduzca o aisle la corriente que hay en la fuente hacia el sistema. Su terminal positiva va hacia un módulo elevador de potencia y su terminal negativa va hacia el módulo controlador de carga. Gracias a este interruptor podemos salvaguardar la corriente que queda al momento de no tener activo el sistema y así evitar desperdicios. En la fig. 2.5 se muestra el diagrama de conexiones entre los módulos y el interruptor. En la fig. 2.7 se muestra el diagrama de conexión entre arduino y los módulos LDR. Fig. 2.7 comunicación entre arduino y módulos LDR Al tener esta comunicación con arduino y los LDR, arduino se comunica con dos componentes que pueden mover la estructura en la cual se encuentra nuestro protagonista principal (El panel solar). Estos dispositivos son conocidos como servomotores. Los servomotores son dos módulos con una capacidad de mover estructuras gracias a unos engranajes que tienen por dentro. Estos se activan con arduino por medio de un sistema llamad o módulo por ancho de pulso (pwm) el cual funciona como un interruptor temporal para estos dispositivos ya que estos se activan por un tiempo determinado en ms. Fig. 2.5 Diagrama interruptor de conexiones entre módulos e En la fig. 2.8 se pueden apreciar los servomotores usados en el proyecto. Al tener un interruptor para poder administrar la corriente y el funcionamiento del sistema pasamos a la fase del funcionamiento de este servomecanismo guiado por luz solar. Al tener el sistema encendido, los primeros componentes en trabajar son los módulos LDR buscando radiación lumínica. En la fig. 2.6 se muestran los módulos LDR Fig. 2.6 módulos LDR Estos módulos trabajan de 2 maneras: En la oscuridad estos trabajan como fotorresistores donde su resistencia puede aumentar hasta 1 o 2 Mega ohmios Cuando detectan una cierta radiación lumínica su resistencia va disminuyendo hasta cerca de los 600 ohmios convirtiéndose en fotoconductores de luz. Ya que estos a la luz son fotoconductores sirven perfectamente para buscar la mayor cantidad de radiación lumínica, luego estos se encargan de mandar señales al controlador (este caso arduino) para que este a su vez pueda activar dos compon entes importantes para que el panel solar pueda moverse hacia la dirección en que hay una mayor fuente de luz. Fig. 2.8 Servomotores MG996R Estos servomotores tienen un rango de alimentación de 4.8 a 7.2 volts y de 500 a 900 mA y pueden cargar un peso de hasta 10 kg cada uno. En el momento en el que los LDR buscan nuevamente donde hay una mayor fuente de luz, estos mandan la señal a arduino y este a su vez activa los servomotores que están conectados en 2 estructuras separadas para mover el panel solar vertical y horizontalmente. En la fig. 2.9 se muestra la interconexión entre los LDR, arduino y los servomotores. En las figs. 3.1y 3.2 se muestran los diagramas de conexión entre los paneles solares y los módulos sensor y controlador de carga. Fig. 3.1 modelo de conexión entre los módulos y los paneles solares Fig. 2.9 interconexión entre módulos LDR y servomotores con arduino. Cuando ya se ha posicionado el sistema hacia la mayor frecuencia lumínica (solar en este caso) el panel solar comienza a actuar almacenando en sus células energía lumínica para poder así convertirla en energía eléctrica. Para este proyecto se están usando dos paneles solares donde cada uno se alimenta hasta 5 volts, estos son conectados en paralelo para tener una mayor cantidad de corriente (Ampers). En la fig. 3.0 se muestran los paneles solares y su conexión. Fig. 3.2 Diagrama de conexiones entre los módulos y los paneles solares. Al tener conectado el panel solar con los dos módulos de medición y controlador se pasa a la siguiente fase donde el sensor pasa las señales de corriente que recibe de la conexión de los paneles solares y la transmite al arduino por medio de un puerto analógico. En la fig. 3.3 se muestra el diagrama de conexión entre el sensor ACS712 y arduino. Fig. 3.0 Placas solares conectadas en paralelo. Estos al poder generar corriente se procede a ser medida por el módulo sensor Acs712 para así analizar la cantidad de corriente que llega hacia la fuente de alimentación por medio del módulo de carga TP4056. La terminal positiva pasa al sensor de corriente ACS712 y la terminal negativa al controlador de carga. Fig. 3.3 Diagrama de conexión entre sensor y arduino. Cuando el sensor le manda las señales a arduino, este las codifica y las envía hacia un dispositivo de salida, para este caso se va a usar una pantalla lcd 16x2 con módulo I2C para una conexión más limpia. En la fig. 3.4 se muestra la conexión entre el sensor, arduino y la pantalla lcd Fig. 3.4 Diagrama de conexión entre sens or, arduino y pantalla lcd. Fig. 3.6 conexión de controlador de carga a pines Vin de módulo MT3608 Luego de mostrar las interconexiones que tiene el módulo sensor, se procede a mostrar las del módulo de carga TP4056 Como habíamos mencionado anteriormente, este conecta hacia un terminal del interruptor y hacia la fuente. Pero hace falta una conexión importante y es la que va hacia un regulador de voltaje (en este caso elevador de voltaje) para que este pase hacia la alimentación de arduino y el sistema siga alimentado eléctricamente. El módulo de regulación de voltaje es el MT3608, el cual por medio de un potenciómetro se puede aumentar o disminuir la cantidad de voltaje que requiera nuestro sistema. En la fig. 3.5 se muestra el módulo MT3608 Fig. 3.7 Conexión de Vout hacia arduino y puerto USB. Fig. 3.5 Módulo MT3608 Elevador de voltaje Este como se muestra en la fig. 3.5 tiene 2 entradas y 2 salidas de voltaje. Los pines Vin+ y Vin- van conectados hacia el módulo de carga Tp4056 para potenciar el voltaje que entra a este mismo. Los pines Vout+ y Vout- van conectado hacia 2 dispositivos (arduino y puerto USB) Se conecta a arduino para que el cerebro del sistema mantenga energizado y el puerto USB es una salida para demostrar que el sistema funciona y es confiable para usar en otros dispositivos. En las figs. 3.6 y 3.7 se muestran las imágenes de conexión y diagrama de conexión de este módulo a los distintos dispositivos. Y en las fig. 3.8 se muestra el diagrama de conexión del módulo. Fig. 3.8 Diagrama de conexiones de Elevador de voltaje MT3608 Para finalizar el diagrama de bloques se añade la conexión hacia una fuente lógica donde se carga el archivo de funcionamiento del sistema y que a la vez interacciona con el mismo arduino por medio de un programa para poder monitorear las distintas funciones del sistema. Esta fuente lógica es el computador o Pc (process center). En la fig. 3.9 se muestra el diagrama de interacción entre el computador y arduino. Para iniciar la interacción se presenta el primer condicional el cual dice: Si los LDRS (A==0) están apagados, Entonces: Se llega a otro condicional el cual es: Si No hay corriente o si la fuente está apagada o desconectada (E==0), Entonces: (LDRS, Servomotor Horizontal, Servomotor Vertical, Arduino, Paneles solares van a tomar el valor de 0) o sea van a estar apagados. Pero si E toma el valor de 1 entonces las otras variables toman el valor de 1, quiere decir que van a estar energizadas y van a operar. En la fig. 4.1 se muestra la fracción del diagrama. Fig. 3.9 Diagrama de interacción entre Arduino y el computador. El diagrama interno de bloques completo se encuentra en anexos. XIII. DIAGRAMA DE ESQUEMÁT IC O ELÉCTRICO/ ELECTRÓNICO En este esquemático se muestran las interconexiones del sistema (módulos, arduino y paneles solares) detalladas con sus respectivos puntos para una mejor apreciación y análisis. (Ver esquemático en anexos) XIV. DIAGRAMA DE INTERACC IÓ N ENTRE LOS DISPOSITIVOS MÁS RELEVANTES DEL PROTOTIPO (DIAGRAMA DE FLUJO) En el inicio tenemos los dispositivos más relevantes del prototipo: LDRS, Servomotor vertical, Servomotor horizontal, Arduino, Fuente de alimentación y paneles solares. En la fig. 4.0 se muestra la variable asignada a cada componente. Fig. 4.1 Condicional anidado. Para cuando la variable A toma el valor de 1, o sea que los LDRS están prendidos y funcionando se pasa a otra condición y es la siguiente: Si Arduino (D) toma el valor de 0 (D==0) que en este caso puede significar que no tenga el programa cargado para asignar a los componentes sus respectivas funciones, entonces los componentes A, B y C van a estar apagados lógicamente. Haciendo que a su vez los paneles solares también se encuentren apagados porque no reciben carga lumínica. Pero si D toma el valor de 1, hace que los otros componentes: A, B y C estén activos lógicamente haciendo que los paneles solares puedan trabajar también ya que el sistema funciona en su totalidad. En la fig. 4.2 se muestra la fracción del diagrama. Fig 4.0 variables de componentes. Fig. 4.2 Condicional anidado El diagrama de flujo completo se encuentra en los anexos. XV. MONTAJ E FÍSICO En las imágenes 4.3 a 4.6 se aprecia la estructura del prototipo en fase de montaje con los otros componentes. Fig. 4.5 Soporte para paneles solares + soporte para Módulos LDR Fig 4.3 Estructura soporte + servomotor horizontal. Fig. 4.6 Paneles solares conectados en paralelo. XVI. COMPARACIÓN DE LA IMPLEMENTACIÓN CON RESPECTO A LAS ESPECIFICACIONES Fig. 4.4 Base para soporte de panel solar y servomotor vertical. El proyecto escogido como guía ha brindado las pautas necesarias para seguirlo al pie de la letra, salvo por dos partes: El módulo ACS712 (sensor de corriente) se va a cambiar por un módulo sensor de voltaje (Fz0430) para poder medir el voltaje que generan los paneles solares. En la fig. 4.7 se muestra el módulo sensor de corriente y en la fig. 4.8 se muestra el sensor de voltaje. XVIII. BIBLIOGRAFÍA https://www.ecorfan.org/spain/researchjournals/Aplicacion_Ci entifica_y_Tecnica/vol3num10/Revista_de_Aplicacion_Cienti fica_y_Tecnica_V3_N10_6.pdf https://www.creg.gov.co/sectores -que-regulamos/energ ia-electrica/historia-en-colombia-0/historia-en-co lo mbia https://www.fundacionaquae.org/wiki/energia-solar-ve ntajas-desventajas/ https://repository.usta.edu.co/bitstream/handle/11634/ 4196/cepedajuan2017.pdf? sequence=1 Fig. 4.7 Módulo sensor de corriente (ASC712) https://www.factorenergia.com/es/blog/autoconsumo/ energia-solar/ https://www.youtube.com/watch?v=BRQDa-LKdLU https://www.youtube.com/watch?v=yyKCqbG2sDU&t=7 48s https://www.youtube.com/watch?v=4QjyGI4fCkc http://platea.pntic.mec.es/vgonzale/cyr_0204/ctrl_rob/robotica /sistema/motores_servo.htm https://es.wikipedia.org/wiki/Fotorresistor https://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/10455/ 1/TESPE-048877.pdf Fig. 4.8 Módulo sensor de voltaje (FZ0430) Se hace el cambio con el objetivo de obtener datos sobre el voltaje que generan los paneles solares y así por medio de un programa mostrando las ondas del voltaje. La segunda parte de los cambios es que se añade un programa de interconexión entre el lenguaje de programación Java y arduino para poder interactuar el sistema desde el computador. Y así como se dijo en la primera parte por medio de una ventana mostrar las ondas que genera el voltaje que pasa por los paneles solares. En las imágenes 4.9 a 5.2 Se muestran la evidencia del programa en proceso de desarrollo. (ver en anexos) XVII. PROBLEMAS PRESENTA DOS EN EL PROCESO DE IMPLEMENTACIÓN. -Al momento de diseñar el esquemático eléctrico/electrónico hay pocos o ningún programa con los componentes creados para su respectivo circuito Pcb, montaje y/o simulación -Al momento de unir las piezas de la estructura impresa en 3D se empiezan a fisurar algunos bordes por lo que se procede a reforzar con buen pegamento los bordes con aberturas. ANEXOS Fig. 1.3 Primer propuesta de presupuesto Fig. 1.4 Segunda propuesta presupuesto Fig. 1.5 Tercera propuesta presupuesto. Fig. 1.6 Matriz de decisión. Fig. 1.7 Fragmento del cronograma de actividades Diagrama de flujo de los componentes más relevantes del sistema. Diagrama esquemático electrónico/eléctricoDel servomecanismo guiado por luz solar. Ventana de control de acceso Ventana de programa principal Evidencia codificación ventana de control de acceso Evidencia programación ventana de programa principal Diagrama interno de bloques. Link de carpeta google drive donde se encuentran los archivos mostrados en el informe. https://drive.google.com/drive/folders/1mTDV4McMfYaoRhsyQuWeJ7bhsEtZzc2?usp=sharing
