PROYECTO DE INNOVACIÓN BÓLIDO ECOLÓGICO JOSÉ BENÍTEZ ARTECHE. ISABEL Mª BRACHO LINEROS. Mª DEL CARMEN LÓPEZ MORENO.

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1 PROYECTO DE INNOVACIÓN BÓLIDO ECOLÓGICO ALUMNOS: JOSÉ BENÍTEZ ARTECHE. ISABEL Mª BRACHO LINEROS. Mª DEL CARMEN LÓPEZ MORENO. 1

2 ÍNDICE 1. PRESENTACIÓN 2. VENTAJAS 3. ESPECIFICACIONES 4. COMPONENTES 5. INTERRELACIÓN 6. EXPLORACIÓN DEL POSIBLE DISEÑO 6.1 Características 6.2 Placas solares 6.3 Motor 6.4 Telemando 6.5 Diagrama de bloques 7. PLACAS SOLARES 7.1 Modelo 7.2 Características 8. MOTOR 8.1 Características 8.2 Modelo 9. TELEMANDO 9.1 Característica 9.2 Los componentes externos 9.3 Hardware transmisor 9.4 Funcionamiento del joystick 9.5 Software transmisor 2

3 9.6 Hardware receptor 9.7 Software receptor 9.8 Software receptor 9.9 Potencia consumida 9.10 Potencia consumida 9.11 Simplicidad circuital 9.12 Régimen de dato 9.13 Tipos de modulación de señales digitales 9.14 El receptor superheterodino Asignación de valores de control de dirección 9.15 Diagrama Receptor 9.16 Puente H 9.17 Modelo 10. RUEDAS 10.1 Características 11. CHASIS ANEXO I 3

4 PRESENTACIÓN 4

5 BÓLIDO Hipérbole Una de las razones por la cual hemos elegido este término es para enfatizar la similitud existente entre un vehículo real y nuestro diseño. Capta Es una forma de atraer la atención del cliente. Sofisticado El propio adjetivo da a entender la cualidad del producto. ECOLÓGICO Energía solar El Sol, fuente de vida y origen de las demás formas de energía que el hombre ha utilizado desde los albores de la Historia, puede satisfacer todas nuestras necesidades, si aprendemos cómo aprovechar de forma racional la luz que continuamente derrama sobre el planeta. Durante el presente año, el Sol arrojará sobre la Tierra cuatro mil veces más energía que la que vamos a consumir. España, por su privilegiada situación y climatología, se ve particularmente favorecida respecto al resto de los países de Europa, ya que sobre cada metro cuadrado de su suelo inciden al año unos kilovatios-hora de energía, cifra similar a la de muchas regiones de América Central y del Sur. Esta energía puede aprovecharse directamente, o bien ser convertida en otras formas útiles como, por ejemplo, en electricidad. No sería racional no intentar aprovechar, por todos los medios técnicamente posibles, esta fuente energética gratuita, limpia e inagotable, que puede liberarnos definitivamente de la dependencia de otras alternativas poco seguras, contaminantes o, simplemente, agotables. Es preciso, no obstante, señalar que existen algunos problemas que debemos afrontar y superar. Hay que tener en cuenta que esta energía está sometida a continuas fluctuaciones y a variaciones más o menos bruscas. Así, por ejemplo, la radiación solar es menor en invierno, precisamente cuando más la solemos necesitar. 5

6 Es de vital importancia proseguir con el desarrollo de la incipiente tecnología de captación, acumulación y distribución de la energía solar, para conseguir las condiciones que la hagan definitivamente competitiva, a escala planetaria. Qué se puede hacer con la energía solar? Básicamente, recogiendo de forma adecuada la radiación solar, podemos obtener calor y electricidad. El calor se logra mediante los colectores térmicos, y la electricidad, a través de los llamados módulos fotovoltaicos. Ambos procesos nada tienen que ver entre sí, ni en cuanto a su tecnología ni en su aplicación. Las «células solares», dispuestas en paneles solares, ya producían electricidad en los primeros satélites espaciales. Actualmente se perfilan como la solución definitiva al problema de la electrificación rural, con clara ventaja sobre otras alternativas, pues, al carecer los paneles de partes móviles, resultan totalmente inalterables al paso del tiempo, no contaminan ni producen ningún ruido en absoluto, no consumen combustible y no necesitan mantenimiento. Además, y aunque con menos rendimiento, funcionan también en días nublados, puesto que captan la luz que se filtra a través de las nubes. La electricidad que así se obtiene puede usarse de manera directa (por ejemplo para sacar agua de un pozo o para regar, mediante un motor eléctrico), o bien ser almacenada en acumuladores para usarse en las horas nocturnas. Incluso es posible inyectar la electricidad sobrante a la red general, obteniendo un importante beneficio. Por otra parte, podemos hacer uso de la energía solar en otros ámbitos de la vida cotidiana, como por ejemplo la utilización de la energía solar en el área educativo. Podemos educar tanto a mayores y pequeños en cuanto al uso de las nuevas energías limpias y renovables, como por ejemplo utilizándola en juguetes, aparatos electrodomésticos, etc. Esto nos lleva a nuestro propósito principal en este proyecto, es decir la utilización de energía solar como fuente de alimentación en nuestro Bólido. Sensación Incólume Por la creciente preocupación que existe para la eliminación del uso de los productos contaminantes, como por ejemplo, ácidos de baterías, pilas, etc. Y los problemas que conllevan el reciclado y su eliminación. Actualidad Ante la demanda actual que exige hoy en día la sociedad (cliente) que requieren nuevas formas de energías no contaminantes y no agotables hemos decidido elegir este sistema de modelo energético. 6

7 VENTAJAS Estas son algunas de las ventajas que hemos considerado de mayor relevancia que han hecho que decidamos por optar a realizar y desarrollar este proyecto. NO EXISTE ESTA INNOVACIÓN (Mirar Anexo I) AHORRO EN PILAS. ORIENTADO A JUGUETES. VALOR EDUCATIVO. VALOR ECOLÓGICO. VALOR TECNOLÓGICO. 7

8 ESPECIFICACIONES Ahora pasamos a comentar algunas especificaciones, después de largos debates, que llevaría el producto en sí. ALIMENTACIÓN MEDIANTE ENERGÍA SOLAR TELEDIRIGIDO (RADIOFRECUENCIA) CONSTRUCCIÓN MODULAR USUARIO/CLIENTE. COMPLEMENTOS: LIBROS, CD, MANUAL DISEÑO PERSONALIZABLE. ACTUALIZABLE. 8

9 COMPONENTES Las unidades principales del Bólido son las siguientes: PLACAS DE ENERGÍA SOLAR MOTOR CC NEUMÁTICOS CHASIS CARCASA MANDO DE RADIOFRECUENCIA INTERRELACIÓN Diagrama de bloques genérico del diseño tecnológico Unidades principales: PLACAS SOLARES TELEMANDO MOTOR TRACCIÓN 9

10 EXPLORACIÓN DEL POSIBLE DISEÑO (CARACTERÍSTICAS) Placas Solares: Posibilidad de acumuladores. Posibilidad de colocar acumuladores, para observar y comparar el funcionamiento del Bólido con y sin acumuladores, ya que sería de gran valor didáctico, pudiendo así constatar el valor de la energía solar. Motor: Consumo, tamaño. El motor a seleccionar, ha de ser compatible con la placa solar que vamos a utilizar. Para ello hay que tener en cuenta una serie de características que veremos posteriormente. Telemando: Radio control y tipo de diseño. Es una de las partes más importantes del Bólido, ya que con ello lo podremos manejar a distancia. Y comprobaremos de forma sencilla como funciona un radio-control. PLACAS SOLARES Tensión de Salida (V) Intensidad máxima (I) V * I = Potencia MOTOR Como mencionamos anteriormente, el motor ha de ser compatible con la placa solar y además ha de ser lo suficientemente potente como para poder con el Bólido, es decir que no sufra en condiciones adversas, para ello tendremos en cuenta una serie de características, como son las siguientes: Corriente Continua (DC) Ha de ser de de corriente Continua, con un valor de 12 V, ya que la placa suministra esa tensión. Tamaño del motor Es uno de los puntos que tenemos que considerar más importante, a parte del peso, potencia suministrada, etc., ya que tenemos que tener en cuenta que el chasis del Bólido, no debe superar ciertas medidas, las cuales hemos de suponer adecuadas para el fácil manejo del usuario. 10

11 Revoluciones (por unidad de tiempo), depende de la masa del bólido El número de revoluciones por unidad de tiempo es una de las características más críticas del motor, ya que dependiendo de la masa del Bólido tendremos que seleccionar un modelo u otro. Intensidad máxima Potencia consumida Potencia suministrada (W * Q) Acople de motor y placas Sistema de interrupción del funcionamiento del motor. Peso TELEMANDO Conmutador (Marcha - Paro) Dirección de ruedas Cambio de velocidad Antena 11

12 DIAGRAMA DE BLOQUES PLACAS SOLARES CONTROL CONMUTADOR ON / OFF EMISOR MOTOR RUEDAS RECEPTOR ACTUADOR 12

13 MOTOR 13

14 Características a tener en cuenta en la elección del motor Corriente Continua (DC) - 12 Voltios Velocidad de Giro del motor Potencia suministrada Dimensiones Peso Temperatura óptima de funcionamiento Dimensiones y Peso del Motor Peso: 0,5 Kg Dimensiones: Velocidad de Giro del motor: A plena carga tiene 1500 r.p.m. Potencia suministrada: o Funcionamiento continuo: 7.5 Vatios (W) o Funcionamiento 1 Hora: 10 W o Funcionamiento 15 minutos: 13 W 14

15 Temperatura óptima de funcionamiento: A temperatura ambiente de 40 º, el motor se elevaría a 115º Corriente Continua 12 v (compatibilidad con placa solar) Posibilidad de invertir el giro del motor. MODELO SELECCIONADO El modelo seleccionado es el PM 7, marca ERMEC. 15

16 PLACAS SOLARES 16

17 CÉLULAS FOTOVOLTAICAS ENERGÍA ELÉCTRICA Forma directa Placas fotovoltaicas de captar y transformarla la energía solar en energía eléctrica. Para que una célula solar expuesta al sol produzca energía eléctrica debe reunir las siguientes tres características fundamentales: a) Ser capaz de absorber una fracción importante de la radiación solar para que la generación de pares electrón-hueco sea eficiente. b) Tener un campo eléctrico interno que separe las dos cargas impidiendo su posterior recombinación. c) Finalmente, las cargas separadas deben ser capaces de viajar a través de la oblea hasta los electrodos superficiales desde donde pasan al circuito exterior. Aunque en la práctica las células solares de mayor utilización son las de Si monocristalino, desde 1954 a la fecha se han ensayado y desarrollado una gran variedad de nuevos tipos, modelos y conceptos de células solares. Estas se pueden fabricar de diferentes geometrías según las necesidades. Debido a que una célula solar genera corrientes y tensiones pequeños, éstas no son los elementos que se utilizan en las aplicaciones prácticas, sino que, con objeto de lograr potencias mayores, se acoplan en serie o en paralelo para obtener mayores tensiones y corrientes formando lo que se denomina módulo fotovoltaico, que es el elemento que se comercializa. A la vez, estos módulos se conectan en serie o en paralelo para obtener las tensiones y corrientes que nos den la potencia deseada. Módulos en serie aumentan el voltaje y conservan la misma corriente, mientras que módulos en paralelo aumentan la corriente, conservando el mismo voltaje. Los módulos generalmente se fabrican para tener una salida de 12 V dc. Aspectos a tener en cuenta son: a). Un módulo fotovoltaico puede generar energía en días nublados, aunque su rendimiento baja con respecto a un día soleado. 17

18 b). La elevación del lugar donde se instala no tiene ninguna relación con la eficiencia del sistema, es decir que la altura a la que van a ser instalados la células fotovoltaicas no va a influir en el rendimiento. Los paneles se instalan a cierta altura para salvar sombras y tener así un contacto directo con el sol. Si usted escoge un lugar para los módulos, asegúrese que tiene la luz directa a las superficies de los módulos. La luz filtrada como por ejemplo a través del follaje de los árboles va a disminuir mucho el rendimiento del módulo. La instalación de los módulos se hace con preferencia en una zona fuera del camino principal, como en el techo o una pared expuesta al sol. Si su casa recibe mucha sombra se pueden montar los módulos a cierta distancia de la vivienda, como en un poste. Es también importante mantener un espacio de 2,5 cm entre el módulo y el soporte para que se mantenga un flujo de aire. c). Otro factor importante es la inclinación del panel fotovoltaico, éste debe tener una inclinación de 15º en verano y 60º en invierno con respecto a la horizontal. Esto es debido a que captar los rayos solares perpendiculares a la placa fotovoltaico nos dará un rendimiento optimo al sistema. Ajuste su módulo directamente al sol. Incline el módulo de tal manera que el ángulo de inclinación este correctamente en la hora del mediodía. Si no quiere ajustar la instalación cada estación del año, use el ángulo de inclinación de invierno. MODELO: mini PANELES SOLARES FOTOVOLTAICOS DE CAPA DELGADA DE SILICIO AMORFO. (200W/m2 Y 1000 W/m2). 10X10cm. 95 gr. Potencia máxima: 10W. Tensión máxima: 12V. Corriente máxima: 0.83A. Precio: bajo pedido. Empresa: EUROPEA DE TÉCNICAS AMBIENTALES, S.L. 18

19 CARACTERÍSTICAS Ideales para la industria de integración. Totalmente herméticos. Condición meteorológica: -40º C y +85º C. Marco Inoxidable de 5mm. Cable de conexión de 1m. Excelente calidad. Larga duración. 19

20 TELEMANDO 20

21 Característica Los requisitos del radiocontrol, son los siguientes: Modulador digital FSK Alcance de al menos 50 m. 1 joystyck como controlador Manejable y poco consumo Barato Los componentes externos son: Cristal de cuarzo de 4 mhz y 2 condensadores. 1 puentes en h para mover motores de contínua. 4 diodos asociados a los puentes en h. Circuito de reset del pic formado por pulsador, condensador y dos resistencias. Conectores para alimentación y conexión de motores. Antena superheterodina, sensibilidad de 2 µv. (-100 dbm) con 5v y 3,5 ma de consumo (50 ohmios y 34 cm). Hardware transmisor: La palanca mueve unos potenciómetros. Este potenciómetro crea una variación de resistividad entre sus patillas (información de la posición del J.S). Esta información se digitaliza mediante el conversor analógico digital (ADC), y se lleva a la memoria. 21

22 El micro con modulador integrado (en UHF).es el rfpic12c509, a 2 Kbps en FSK Y 12 dbm. El PIC con modulador envía la señal a la antena. 22

23 Funcionamiento del joystick El JS crea una palabra a la salida dependiendo de la posición del mando SALIDA DE BITS HACIA EL MODUL ENTRADA PROCEDENTE DEL NTE JS DE JS 23

24 Software transmisor Los datos recibidos del ADC se coloca cada uno en su registro se muestrean los potenciómetros de los mandos secuencialmente el resultado de la muestra se guarda en registros de memoria RAM resolución constan entonces de 8 bits de datos más al menos 3 de detección y corrección de errores Los cambios de programa o parámetros ejecuta en sus primeras instrucciones el programa bootloader Al resetear, es lo primero que se ejecuta Espera datos provenientes de un PC por puerto serie y si llega algo, lo guarda en memoria de programa. En caso de no recibir nada, continúa con el funcionamiento normal. Hardware receptor Un receptor superheterodino de sensibilidad mejor que 2 µv (-100 dbm) con 5v y 3,5 ma de consumo. La antena debe ser de 50 ohmios Una antena de 34 cm y 50 Homs En caso de querer mejor enlace un dipolo doblado. Software receptor Los datos recibidos se pasan directamente al PIC de a bordo, un 16F877 por el pin correspondiente. Las órdenes llegan a 2 Kbps, inercia para cambiar sus movimientos unas 22 veces por segundo. El 1er paso antes de empezar, es sincronizar Tx y Rx. Primero se envía una trama de sincronización de 16 bits, formados por: 4 bits de inicio 0101, 8 bits de sincronización y 4 bit de final

25 El PIC recibe la secuencia de inicio 0101 y activa un contador de tiempo. A continuación recibe cuatro unos. El tiempo transcurrido es de 8 bits. Se divide el tiempo por 8 y se guarda esa cifra como "tiempo de bit. se carga el temporizador con el tiempo de bit. Como el Pic va mucho más rápido que el flujo de información, le da tiempo a realizar otras tareas mientras llega el siguiente bit. Entre ellas destaco: Llevar las órdenes al generador de PWM para mover los motores, servos de dirección u otros actuadores. Capacidad para dotar al vehículo donde vaya instalado de autonomía total, es decir, que sea capaz de moverse o mantenerse en ruta sin manipulación desde el exterior, sólo con la información de los sensores o con la ruta especificada por nosotros, interactuando con el entorno. Modulación ASK tiene un lóbulo principal, centrado a la frecuencia portadora y lóbulos laterales importantes. La forma de este espectro es la del módulo de una función más ancha cuanto mayor sea la frecuencia de los datos. En FSK existen dos lóbulos principales, alrededor de cada una de las frecuencias usadas para representar el "0" o el "1 El espectro de una FSK es análogo al de la suma de dos señales ASK, una en cada frecuencia, moduladas con valores opuestos), y el ancho de cada lóbulo también es mayor cuanto mayor sea la tasa de transmisión de datos. 25

26 Potencia consumida ASK consume potencia en forma pulsante desde el punto de vista de consumo de batería la transmisión ASK FSK el consumo es continuo y constante, permite que el receptor tenga circuitos de AGC, realice una mejor discriminación y una mejor recepción, con menor tasa de error. Simplicidad circuital Tanto la transmisión como la recepción de ASK suelen poder se realiza de forma más simple que FSK. La transmisión, con los circuitos integrados actuales esta diferencia ha disminuido hasta hacerse casi indistinguible; desde el punto de vista de la recepción, demodular FSK todavía es algo -sólo un poco- más complejo que demodular ASK. Régimen de datos La operación ASK involucra conmutación ON/OFF que limitan la velocidad a pocos kilobits/seg. FSK las transiciones es suaves, lográndose decenas de kb/seg. En estos métodos la información no se transmite en forma vi-nivel (dos frecuencias, dos fases o dos amplitudes) sino en forma multi-nivel, con lo que en cada tiempo se transmiten varios bits. Tipos de modulación de señales digitales Quadrature Amplitude Modulation (QAM Modulation) Phase Shift Keying (PSK) Modulation Binary Phase Shift Keying (BPSK) Modulation 26

27 Quadriphase Shift Keying (QPSK) Modulation Differential Phase Shift Keying (DPSK) Modulation DBPSK, DQPSK,... Gaussian Mínimum Shift Keying (GMSK) Modulation El receptor superheterodino Su funcionamiento, de forma resumida, es el siguiente: La señal de antena es filtrada para dejar pasar sólo las señales deseadas La señal filtrada es amplificada mediante un amplificador de bajo ruido (LNA: Low Noise Amplifier) Esta banda es multiplicada por la señal de un oscilador local LO (menor a RF). se genera una señal formada por la suma de dos componentes, RF+LO y RF-LO. Mediante filtros RF+LO es descartada y RF-LO (frecuencia intermedia o FI) es amplificada y a la vez filtrada con un filtro paso-banda. Después se pasa a un limitador que elimina cualquier vestigio de modulación y deja sólo una onda cuadrada. RSSI (Received Signal Strength Indicator) se usa para controlar la ganancia del amplificador para evitar saturación ante señales de entrada fuertes. Para demodular FSK se emplea un circuito resonante en la frecuencia de FI, y luego pasa por un comparador para generar los datos de salida (Data Slicer de FSK). 27

28 Asignación de valores de control de dirección El programa lo único que hace es con la información que llega al modulo receptor, por medio de 4 bits, se dan las palabras de control de los motores y de los relevadores para el manejo del puente H y un bit es usado para el taladro de ataque. El puente H esta diseñado por medio de relevadores, son relevadores dobles en un mismo encapsulado, con dos señales de control le decimos al motor, adelante o atrás. Control de los motores : P37 P36 P35 P34 P33 P32 P31 P30 Relevador1 PWM1 Relevador2 PWM / Derecho / Giro derecha / Giro izquierda / Giro derecha (sobre su eje) / Giro izquierda (sobre su eje) / Atrás

29 DIAGRAMA RECEPTOR: Puente H: Los relevadores no conmutan tan rápido como los transistores, pero para la velocidad que necesita, es lo suficientemente rápido. Se seleccionaron los relevadores porque es mas sencillo configurar el puente H 29

30 RUEDAS 30

31 MODELO Y CARACTERÍSTICAS Modelo: R 20 AT-2A (marca Goodyear). Construcción: Radial Carga máxima: 5 Kg. 1 Capas de acero de la pisada 1 capa de acero de la pared lateral Sin cámara de aire Diámetro: 5 cm. RUEDAS LISAS Opción : Michelín Especializado en ruedas de coches solares. 31

32 CHASIS 32

33 Dentro de la amplia gama del posible diseño hemos optado por ilustrar algunos ejemplos de chasis ya existentes para incluirlos en nuestra elección en principio, dependiendo de un posterior estudio sobre futuras tendencias del cliente. 33

34 ANEXO I 34

35 ANEXO I: BÚSQUEDA DE PATENTE Realizamos la búsqueda de la patente en la siguiente dirección: El resultado de dicha búsqueda fue Negativo, por lo que podemos afirmar que el Bólido Ecológico es efectivamente algo innovador. Llegándose a ser posible el estudio de la patente. 35