Rastreador de Luz para Panel Solar y Sistema de Carga para Dispositivos USB

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1 Rastreador de Luz para Panel Solar y Sistema de Carga para Dispositivos USB Alemán, José Ramón. Díaz, Eduardo. Tovar, Carlos. Ingeniería Mecatrónica, Facultad de Ingeniería, Universidad Latina de Panamá, Panamá joealeman1993@hotmail.com eelijha25@gmail.com ctovar19@gmail.com Resumen En este proyecto se hace el diseño y la implementación de un sistema foto-voltáico (FV) para el aprovechamiento de la energía solar. Para ello, se utilizarán elementos FV, el o los cuales se moverán dependiendo de la dirección del sol, haciendo un seguimiento continuo de este, desde el alba hasta el ocaso. I. Estado de Arte El sol es una fuente de energía inagotable. Los rayos solares inciden perpendicularmente sobre las células solares de un panel solar y producen un efecto fotoeléctrico. Es decir que el silicio, principal componente de los paneles solares, emite electrones al incidir sobre él la luz, y la circulación de estas cargas eléctricas crea una corriente eléctrica continua. Dejar estático un panel solar significa desperdiciar la potencia que el sol nos entrega cada día. Para mejorar el rendimiento de los paneles solares fotovoltaicos suelen colocarse sobre un elemento que se orienta con el sol siguiendo su trayectoria, desde el amanecer al anochecer, con el fin de que los rayos siempre incidan perpendicularmente al panel y obtener así mayor rendimiento. de cargar una batería de respaldo teniendo en cuenta que la luz solar de acuerdo a la hora, estado de clima y posición del sol no es constante o suficiente podremos utilizar dicha batería para cargar a través de un puerto USB cualquier dispositivo móvil. Se diseñó los siguientes diagramas de bloques para el control completo del proyecto: A. Diagrama de bloque para el servo X. B. Diagrama de bloque para el servo Y. II. Desarrollo de Contenidos Se creará una plataforma móvil con un sistema de control (usando un Arduino), que se encarga de ajustar el grado de inclinación a través de servomotores, que debe tener las celdas FV para que estas puedan ofrecer su mejor desempeño. Posteriormente, la energía eléctrica se almacenará en un banco de acumuladores o baterías, para disponer de ella en el momento necesitado. Diseñamos un circuito eléctrico en donde incluimos componentes necesarios para captar la intensidad de luz atreves de sensores LDR (Light Dependent Resistor), resistencias que decrecen con el incremento de la incidencia de la luz. Utilizamos servomotores para direccionar las posiciones de los paneles de acuerdo a la intensidad de la luz del sol, ya que elegirá la más adecuada para darle el óptimo provecho a la luz solar. Los servomotores son controlados por medio del Arduino (placa con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares). Gracias al Arduino, controlaremos el circuito desde el movimiento e dirección de los servomotores hasta la posibilidad C. Diagrama para el modo de diurno y nocturno. D. Diagrama para cargar la batería. En la siguiente página, veremos los circuitos realizados del proyecto (los cuales se dividen en dos partes) y el código fuente de la programación del Arduino:

2 Figura 1: Diagrama electrónico del circuito de control (Arduino) o o o Los LDRs están conectados con unas resistencias de 10kΩ, creando divisor de voltaje. o Al incidir luz, baja la impedancia. Por resultado, baja la lectura de voltaje. En la otra mano, al no incidir luz, sube la impedancia. Esto aumenta la lectura de voltaje. Dependiendo de la lectura de los LDRs, diferente valor de señal será enviado a los servomotores para indicar su movimiento. Se conecta la lectura del voltaje del panel solar y de la batería, respectivamente en el entrada A4 y A5 del Arduino Si el voltaje del panel solar es bajo, se activa el modo nocturno (la batería proporcionara energía a la carga). En cambio, si el voltaje del panel solar es alto (+10.5V), se desactiva el modo nocturno. Si el voltaje de la batería es bajo, se activa la salida D2 del Arduino (para cargar la batería). Cuando la lectura del voltaje de la batería es mayor a un valor especifico, se desactiva el modo de cargador. Figura 2: Diagrama electrónico del circuito alimentación Los paneles solares se colocan en serie para aumentar el voltaje. Los capacitores del C1 al C4 son usados para nivel el voltaje del panel solar. Los potenciómetros R1 y R2 son usados para las lecturas del voltaje de la batería y del panel solar. Si 'CTRL' es activado, se enciende el LED1, satura el transistor Q1 y se activa el relay K1, activando el modo de cargador de la batería. La batería se cargara hasta que la lectura del voltaje de este alcance un valor especifico. Si 'SEL' es activado, se enciende el LED2, LED1, satura el transistor Q2 y se activa el relay K2, activando el modo selector de voltaje de la carga. En este caso, se activa el modo nocturno (la batería proporcionara la energía a la carga). El regulador LM2596 y sus componentes pasivos se encarga de regular el voltaje de salida a 5V. Esto lo hace con mucha precisión. Una gran ventaja de este regulador es que no es lineal, es decir, el voltaje de entrada no será perdido como calor, conservando energía. Esto se debe porque es un 'switching regulator'. Por último, el voltaje de entrada solamente tiene que ser aproximadamente 500mV mayor al voltaje de salida para que la regulación de voltaje sea eficiente. Los divisores de voltaje en la salida del regulador fueron colocados porque existen algunos dispositivos USB que necesitan alguna "señal digital" para poder cargar.

3 Programación del Arduino #include <Servo.h> // Incluye la biblioteca para usar los servo motores. /* Variables usadas para los componentes eléctricos conectados al Arduino. */ const int pin_ctrl = 2; // Declara la variable para activar el circuito de control de batería. const int pin_pwr = 3; // Declara la variable para el uso del LED de encendido. const int pin_sel = 4; // Declara la variable para el uso del LED del modo de batería. const int pin_ldr0 = A0; const int pin_ldr1 = A1; const int pin_ldr2 = A2; const int pin_ldr3 = A3; const int pin_bat = A4; const int pin_sol = A5; // Declara la variable para el uso del primer LDR. // Declara la variable para el uso del segundo LDR. // Declara la variable para el uso del tercer LDR. // Declara la variable para el uso del cuarto LDR. // Declara la variable para el uso de la lectura del voltaje de la batería. // Declara la variable para el uso de la lectura del panel solar. /* Variables usadas para guardar la lectura de los diferentes valores. */ unsigned int val_up = 0; // Guarda la lectura del valor del LDR ubicado en la parte de arriba (LDR0). unsigned int val_right = 0; // Guarda la lectura del valor del LDR ubicado en la parte de derecha (LDR1). unsigned int val_down = 0; // Guarda la lectura del valor del LDR ubicado en la parte de abajo (LDR2). unsigned int val_left = 0; // Guarda la lectura del valor del LDR ubicado en la parte de izquierda (LDR3). unsigned int val_bat = 0; unsigned int val_sol = 0; float volt_bat = 0; float volt_sol = 0; // Guarda la lectura del voltaje de la batería. // Guarda la lectura del voltaje del panel solar. // Declara la variable para la conversión de la lectura analógica a voltaje de la batería. // Declara la variable para la conversión de la lectura analógica a voltaje del panel solar. /* Variables usadas para el control de los servo motores. */ Servo servo_x; // Declara la variable del servo 'x'. int val_x = 90; // Posición inicial del servo 'x'. Servo servo_y; // Declara la variable del servo 'y'. int val_y = 135; // Posición inicial del servo 'y'. int delaymovement = 100; // Tiempo de retraso de los servo motores. void setup() Serial.begin(9600); servo_x.attach(9); servo_y.attach(10); // Inicia la comunicación serial a una velocidad de 9600 BAUDS. // Servo motor del eje 'x' se conecta al pin #9 del Arduino. // Servo motor del eje 'y' se conecta al pin #10 del Arduino. pinmode (pin_ldr0, INPUT); // Indica que el pin 'A0' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode (pin_ldr1, INPUT); // Indica que el pin 'A1' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode (pin_ldr2, INPUT); // Indica que el pin 'A2' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode (pin_ldr3, INPUT); // Indica que el pin 'A3' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode (pin_bat, INPUT); // Indica que el pin 'A4' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode (pin_sol, INPUT); // Indica que el pin 'A5' del Arduino se comportara como una entrada analógica. pinmode(pin_ctrl,output); // Indica que el pin 'D2' del Arduino se comportara como una salida digital. digitalwrite(pin_ctrl, LOW); // El valor inicial del pin 'D2' será 0, es decir, un valor lógico bajo (0V). pinmode(pin_pwr,output); // Indica que el pin 'D3' del Arduino se comportara como una salida digital. digitalwrite(pin_pwr, HIGH); // El valor inicial del pin 'D3' será 1, es decir, un valor lógico alto (5V). void loop() pinmode(pin_sel,output); digitalwrite(pin_sel, LOW); val_up = analogread(pin_ldr0); val_right = analogread(pin_ldr1); val_down = analogread(pin_ldr2); val_left = analogread(pin_ldr3); val_bat = analogread(pin_bat); val_sol = analogread(pin_sol); // Indica que el pin 'D4' del Arduino se comportara como una salida digital. // El valor inicial del pin 'D4' será 0, es decir, un valor lógico bajo (0V). // Transfiere la lectura del LDR superior a la variable 'val_up'. // Transfiere la lectura del LDR derecho a la variable 'val_right'. // Transfiere la lectura del LDR inferior a la variable 'val_down'. // Transfiere la lectura del LDR izquierdo a la variable 'val_left'. // Transfiere la lectura de la batería a la variable 'val_battery'. // Transfiere la lectura del panel solar a la variable 'val_solar'. volt_bat = val_bat * (4.50 / ) * 1.35; volt_sol = val_sol * (4.50 / ) * 2.68; // Formula usada para calcular el voltaje de la batería. // Formula usada para calcular el voltaje del panel solar. Serial.print("Voltage de Bateria: "); Serial.print(volt_BAT, 3); Serial.print("Voltage del Panel Solar: "); Serial.print(volt_SOL, 3); // Imprime el valor del voltaje de la batería. // Imprime una línea en blanco, por la estética del programa. // Imprime el valor del divisor de voltaje del panel solar. Serial.println("///////////////////////////");

4 if (volt_sol < 10.50) digitalwrite(pin_sel, HIGH); // Envía un nivel digital alto (1) a la salida del selector. Se seleccionara la batería para alimentar la carga. else if (volt_sol > 10.50) digitalwrite(pin_sel, LOW); // Si la lectura del panel solar es mayor, indica que hay suficiente voltaje para la carga. if (volt_bat < 5.75) digitalwrite(pin_ctrl, HIGH); // Si el voltaje de la batería baja por un rango determinado, se activa el relay para cargar la batería. else if (val_bat > 6.45) digitalwrite(pin_ctrl, LOW); // Cuando la batería este cargada, automáticamente se deshabilitara el controlador de cargar la batería. if (val_left - val_right > 2 val_left - val_right < -2) // Le restamos un dos ("2") para evitar jitter (titubeos) en los servo motores. if (val_left > val_right && val_x > 0) // Se 've' la luz en la derecha, preparando para que el servo gire a la derecha. val_x--; // Decremento al valor del servo 'x'. Es decir, mueve el panel solar a la derecha. if (val_right > val_left && val_x < 180) // Se 've' la luz en la izquierda, preparando para que el servo gire a la izquierda. val_x++; // Incrementa el valor del servo 'x'. Es decir, mueve el panel solar a la izquierda. if (val_up - val_down > 2 val_up - val_down < -2) // Le restamos un dos ("2") para evitar jitter (titubeos) en los servo motores. if (val_up > val_down && val_y > 90) // Se 've' la luz en la parte superior, preparando para que el servo gire hacia arriba. val_y--; // Decremento al valor del servo 'y'. Es decir, mueve el panel solar arriba. if (val_down > val_up && val_y < 180) // Se 've' la luz en la parte inferior, preparando para que el servo gire hacia abajo. val_y++; // Incrementa el valor del servo 'y'. Es decir, mueve el panel solar abajo. servo_x.write(val_x); servo_y.write(val_y); delay(250); // Escribe la posición del servo acorde a lo calculado. // Escribe la posición del servo acorde a lo calculado. // Tiempo de espera para mover el servo de posición.

5 III. Discusión y Resultados El sistema diseñado, esta direccionado a utilizar la mejor calidad de luz solar posible, a través del posicionamiento de los paneles solares. Debido a que no pudimos conseguir y no tuvimos a disposición los servomotores en un principio, tuvimos la idea de no hacer el proyecto referente a la intensidad de la luz, y solamente colocar el panel solar estático. Esto no nos iba a poder sacar mejor provecho de la energía solar, para reutilizarla. Al final, se consiguió los servomotores, y nos pudimos dar cuenta que un panel solar estático no obtiene la mejor calidad de energía solar que un panel que sea dirigido u orientado por la intensidad de luz solar. Ya que en un mismo punto, el sol no se mantiene constante. Por lo tanto, la calidad de energía tampoco. Figura 5: Vista trasera del proyecto. Figura 3: Vista isometrica del proyecto. Figura 6: Capturando diferentes valores de voltaje, por medio de la comunicación serial del Arduino. A. Formas de Onda del Voltaje En la siguiente gráfica, se muestra las formas de onda del circuito del LM2596, realizando su labor de regular el voltaje. Figura 4: Vista superior del Proyecto Vout = 5 V A: Output Pin Voltage, 10 V/div B: Switch Current, 2.0 A/div C: Inductor Current, 2.0 A/div, AC Coupled D: Output Ripple Voltage, 50 mv/div, AC Coupled

6 B. Repuesta Transitoria de la Carga La respuesta en el tiempo de un sistema de control consta de la respuesta transitoria, la cual nos referimos a la que va del estado inicial al estado final. En este caso, la respuesta transitoria de la carga determinara que rápido el regulador de voltaje puede responder a cambios repentinos en la corriente. En la siguiente gráfica, veremos la respuesta transitoria de la carga del regulador LM2596. Referencias [1] Arduino, digitalwrite(), Arduino, [2] Arduino, Servo Library, Arduino, [3] Arduino, write(), Arduino, [4] Arduino, attach(), Arduino, [5] Arduino, analogread(), Arduino, [6] Arduino, Analog Read Voltage, Arduino, Monday, August 12, [7] Arduino, begin(), Arduino, [8] Arduino, print(), Arduino, Monday, August 12, IV. Conclusiones y Trabajo Futuro La disponibilidad de luz solar no es siempre la ideal en todo momento ya que factores como el clima, posición del sol y hora del día. Con un sistema diseñado para obtener la mejor calidad de esa luz solar y acumularla en una batería para ser reutilizada en la carga de cualquiera dispositivo móvil es una buena manera de empezar a conservar nuestro ambiente y que logramos usar lo mejor de una fuente inagotable de energía (como lo es el sol). De esta manera incentivamos el uso de dicha fuente de energía atreves de la elaboración de diferentes sistemas donde el uso de la energía solar sea el más óptimo. Como trabajo futuro, al proyecto se le puede hacer algunas modificaciones, las cuales pueden mejoraran el rendimiento, estabilidad, y uso de este: Remplazar los paneles solares por un panel que proporcione mayor energía. Remplazar la batería de 6V por una de 12V. Construir un inverter (convertidor digitalanalógico), para no estar limitados a cargas dispositivos USB. Crear un programa en LabVIEW, permitiéndole al usuario una forma gráfica de ver los resultados de las mediciones del voltaje del panel solar, cuanta carga le queda a la batería, tiempo aproximado para cargar la batería, y ver a que ángulo con exactitud se está recibiendo la mayor energía solar. [9] Arduino, ++ (increment) / -- (decrement), Arduino, [10] Wikipedia, the free encyclopedia, Photoresistor, Wikipedia, [11] Wikipedia, the free encyclopedia, Solar cell, Wikipedia, [12] Wikipedia, the free encyclopedia, Servomotor, Wikipedia, [13] Wikipedia, the free encyclopedia, USB, Wikipedia, [14] ON Semiconductor, LM A, Step-Down Switching Regulator, ON Semiconductor, Saturday, August 3, 2013

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