Jugando con el Sol. Resumen

Jugando con el Sol Autor: Giragirasol Resumen Jugando con el Sol es un prototipo que utiliza energía renovable para recargar pequeños aparatos electrónicos como un teléfono celular. Este dispositivo permite generar energía eléctrica a partir de la energía solar. Su funcionamiento se basa en un panel fotovoltaico que se direcciona de manera automática hacia el ángulo de mayor captación de energía solar, dependiendo de la posición del Sol, mediante un circuito electrónico controlado por una tarjeta Arduino UNO, fotorresistencias y servomotores. Introducción Cuantas veces no nos ha ocurrido que durante el día se nos termina la pila de nuestro celular o de cualquier otro aparato electrónico y no disponemos de una toma de corriente eléctrica para recargarlo. Pensando en una solución a este problema, nació la idea de crear un prototipo que permitiera alimentar pequeños dispositivos electrónicos mediante energía solar, la cual además de ser renovable, ayuda a disminuir el consumo de energía eléctrica producida por fuentes contaminantes que afectan nuestro medio ambiente. El presente trabajo tiene como finalidad describir el proceso de creación del prototipo al cual denominamos Jugando con el Sol. En la primera parte, se aborda el marco teórico que sustenta la construcción de nuestro seguidor solar, después, se explica el objetivo y problemática que deseamos resolver. Posteriormente, describimos los materiales, conexiones y programación del prototipo, y finalmente, presentamos los resultados y conclusiones de nuestra investigación. 1

Marco teórico A continuación, se describen los conceptos teóricos en los cuales se basa la construcción del prototipo Jugando con el Sol. Energía La energía es la capacidad que poseen los cuerpos de poder efectuar un trabajo a causa de su constitución (energía interna), de su posición (energía potencial) o de su movimiento (energía cinética). La unidad de la energía es el julio (J), que se define como el trabajo realizado por una fuerza de un Newton en un desplazamiento de un metro en la dirección de la fuerza. La energía se encuentra en constante transformación, pasando de unas formas a otras. El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma. En estas transformaciones, la energía total permanece constante, es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación. Fuentes de energía Las fuentes de energía son recursos existentes en la naturaleza de los que se puede obtener energía. Se clasifican en dos grandes grupos: No renovables: aquéllas que tienen un carácter limitado en el tiempo, como por ejemplo el petróleo, el gas natural, el carbón o el uranio. Renovables: aquéllas que se pueden regenerar de manera natural o artificial, como la energía eólica, geotérmica, hidráulica, solar, nuclear de fusión, entre otras. 2

Energía solar La energía solar es la que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética (luz, calor y rayos ultravioleta principalmente) procedente del Sol, donde ha sido generada por un proceso de fusión nuclear. Este tipo de energía renovable presenta dos características especiales muy importantes: dispersión e intermitencia. Dispersión: en condiciones favorables, la densidad de energía del sol apenas alcanza 1 kw/m 2, un valor muy por debajo del que se requiere para producir trabajo. Esto significa que, para obtener densidades energéticas elevadas, se necesitan grandes superficies de captación, o sistemas de concentración de los rayos solares. Intermitencia: la energía solar no es continua, lo cual hace necesario la utilización de sistemas de almacenamiento. Aprovechamiento de la energía solar El aprovechamiento de la energía solar se puede llevar a cabo de dos formas: Aprovechamiento pasivo. No requiere de ningún dispositivo para captarla. Por ejemplo, cuando se construye una casa, las ventanas se orientan hacia donde el sol emite sus rayos durante la mayor parte del día para mantener la temperatura del ambiente agradable y con buena iluminación, otro ejemplo sería el uso de tendederos en las azoteas de las casas para el secado de la ropa. Aprovechamiento activo. Se basa en la captación de la radiación solar por medio de un elemento denominado colector. Según Recio, M. (2017), el aprovechamiento de la energía solar se puede realizar de dos formas: por conversión térmica de alta temperatura y por conversión fotovoltaica. Conversión térmica de alta temperatura. Consiste en transformar la energía solar en energía térmica almacenada en un fluido. Para este tipo de conversión se utilizan colectores solares cuya función es aprovechar la energía calorífica del sol para calentar un líquido. Para ello, se aplican las leyes de la termodinámica. 3

Conversión fotovoltaica. Consiste en la transformación directa de la energía luminosa en energía eléctrica. Electricidad a partir de la energía solar Para realizar una conversión fotovoltaica, es decir, transformar la energía solar en energía eléctrica, se necesita una célula fotovoltaica, que es un dispositivo electrónico que permite transformar energía luminosa en energía eléctrica, mediante el aprovechamiento de un proceso llamado efecto fotovoltaico. Damia Solar (2015) explica que la célula fotovoltaica está elaborada con silicio, un elemento semiconductor que se encuentra en abundancia en la arena de la Tierra. Este material tiene características aislantes a baja temperatura y conductoras cuando recibe mucha energía. En una cara de la célula fotovoltaica se une el silicio con fósforo y se obtiene un material con carga negativa (capa N), y por el otro lado, el silicio se une con boro para obtener un material con carga positiva (capa P). Estas dos capas se mantienen separadas por una fina juntura que mantiene carga neutra. Figura 1. Roseguel (s/f). Celda fotovoltaica. 4

Cuando un fotón choca con suficiente energía con la célula fotovoltaica provoca que los electrones de la capa N absorban dicha energía y se conviertan en conductores, creándose un campo eléctrico. Los campos positivos y negativos de la célula fotovoltaica se conectan entre ellos mediante cable eléctrico creándose así un circuito de corriente eléctrica que estará en funcionamiento durante el tiempo que se reciba la radiación solar. Cuanta más energía solar reciba la célula, mayor será la energía eléctrica que se genere, ya que será mayor el número de electrones conductores que se liberen. Un factor importante para un mejor funcionamiento de la célula es que los fotones solares choquen con las células de la forma más perpendicular posible, porque de esta forma la energía liberada es mayor, por eso, es fundamental que la inclinación de la placa sea acorde a la ubicación del sol. Paneles solares Un panel solar es un conjunto de células fotovoltaicas. Aunque cada célula fotovoltaica proporciona una cantidad relativamente pequeña de energía, un conjunto de células solares distribuidas en un área grande puede generar suficiente energía para ser útil. Para recibir la mayor cantidad de energía, los paneles solares deben dirigirse directamente al sol. Se puede utilizar la denominación de panel solar tanto para la energía solar fotovoltaica como para la energía solar térmica. Los paneles fotovoltaicos generan electricidad en forma de corriente continua. Figura 2. AliExpress. (2019). Panel solar 5

Aplicaciones de los paneles solares Gracias a los avances tecnológicos, el costo de la energía solar fotovoltaica se ha reducido considerablemente a la vez que ha aumentado su eficiencia, siendo en la actualidad una alternativa de generación eléctrica competitiva con las energías no renovables. La energía solar que captan los paneles solares puede tener múltiples aplicaciones, por ejemplo: para el autoabastecimiento de energía eléctrica de hogares, para el alumbrado público, huertos solares, entre otras actividades. Seguidor solar Un seguidor solar es un dispositivo mecánico capaz de orientar los paneles solares de forma que éstos permanezcan aproximadamente perpendiculares a los rayos solares, siguiendo al sol desde el este en la alborada hasta el oeste en la puesta. Figura 3. QKSOL. (2018). Sistema seguimiento solar La investigación de los conceptos teóricos descritos con anterioridad nos encaminó a tomar la decisión de crear nuestro prototipo basado en los principios de un seguidor solar. Para ello, se seleccionó la plataforma de desarrollo de prototipos electrónicos denominada Arduino. 6

Plataforma Arduino Arduino es una plataforma educativa que permite la creación de proyectos electrónicos sin la necesidad de tener conocimientos profundos de electrónica. Esta plataforma ofrece una amplia gama de tarjetas controladoras, sensores y actuadores, así como un ambiente de programación que permite generar dispositivos electrónicos. Una de las tarjetas controladoras de esta plataforma es la Arduino UNO, que integra un microcontrolador y un conjunto de pines de conexión de entradas y salidas, que permiten mediante un programa, interaccionar con el medio físico mediante sensores. Figura 4. Guilarte, I. (2017). Arduino UNO Para programar la tarjeta Arduino UNO, se utiliza un lenguaje de programación propio de la plataforma Arduino, el cual es muy similar al lenguaje C. Existe un entorno de desarrollo integrado que puede ser descargado a la computadora, o también se dispone de una versión en línea. Ambos se pueden obtener del sitio web oficial de Arduino: www.arduino.cc 7

Para poder realizar la función de mover el panel solar a la posición donde los rayos del sol incidieran en el panel lo más perpendicularmente posible, se utilizaron dos elementos: la fotorresistencia y el servomotor. Fotorresistencia Es una resistencia cuyo valor resistivo, determinado en ohms, varía en función de la luz que incide sobre ella. Su nivel de resistencia aumenta cuando el nivel de la luz disminuye. Sirve para luz visible, infrarroja y ultravioleta. Este elemento es muy útil para elaborar proyectos electrónicos que dependan de la luz solar. Figura 5. EcuRed (2019). Fotorresistencia Servomotor Un servomotor es un dispositivo electromecánico conformado por un motor eléctrico, un juego de engranes y una tarjeta de control, todo integrado en una carcasa de plástico. Se puede controlar su posición angular, es decir, puede ubicarse en cualquier posición dentro de un rango de operación generalmente de 180, pero puede ser fácilmente modificado para tener un giro libre de 360. Por su gran precisión de posición angular se suele utilizar en el área de la robótica. El funcionamiento del servomotor se debe a la modulación por ancho de pulso (PWM). Cuenta con tres cables: dos para alimentación Vcc y tierra (variando de 8

4.8V a 6V) y un tercer cable de control. La señal de control es la que se conecta a una salida analógica de la tarjeta Arduino, con la finalidad de que el circuito de control diferencial interno ubique el servomotor en la posición indicada. Figura 6. Robu.in (2018). Servomotor Con la investigación de los conceptos teóricos que sustentan la creación de nuestro prototipo de seguidor solar, a continuación, definimos el objetivo de nuestro trabajo: Objetivo Crear un prototipo que permite generar energía eléctrica a partir de la energía solar que sirva para alimentar pequeños aparatos electrónicos mediante la plataforma Arduino. Planteamiento del problema El uso de distintos dispositivos electrónicos en nuestra vida diaria se ha incrementado sustancialmente. Por ejemplo, la mayoría de las personas no podemos concebir la idea de pasar un día sin que nuestro teléfono celular esté funcionando. Sin embargo, todos estos aparatos usan energía eléctrica que se va agotando con el paso del tiempo y debemos recargarlos continuamente. Este proceso generalmente lo realizamos utilizando la corriente eléctrica de nuestra 9

casa, escuela o trabajo, contribuyendo con ello al uso de un mayor consumo de energía eléctrica y con ello, también contaminando nuestro ambiente. Durante la investigación del marco teórico para la construcción del prototipo aprendimos que una de las fuentes de energías renovables es la energía solar fotovoltaica, en la que por medio de uno o varios paneles solares se transforma la radiación solar en energía eléctrica, pero existen algunas limitantes para la máxima eficiencia de extracción de la radiación. Al instalar un panel solar de manera fija, dicho panel no podrá suministrar su mayor rendimiento debido a la rotación y traslación del planeta Tierra con respecto al Sol. El rendimiento de un panel solar se genera cuando los rayos del sol son perpendiculares a la superficie. A medida que pasan las horas, el ángulo entre el panel y el sol varía progresivamente originado que solo unas pocas horas el panel tenga su mayor rendimiento y en las demás horas, la producción de energía empieza a disminuir considerablemente entre un 20% y 30%. Esta caída se debe al hecho de que los paneles solares no captan la misma luz cuando los rayos del sol no están perpendiculares, evento que ocurre durante la mayor parte del día. Así, los paneles fijos producen cierta energía fotovoltaica, pero en menor medida que los paneles orientados de manera perpendicular a los rayos del sol. Otro aspecto importante a destacar es que gracias al seguimiento solar, no sólo se incrementa la producción de energía de las plantas fotovoltaicas, sino que además, se mejora la forma en que se entrega la potencia de salida producida. Con el seguimiento solar se consigue alargar el tiempo de máxima potencia y producir así a mayor capacidad durante más horas al día. Por lo anterior, pensamos que una aportación que podríamos hacer para consumir menor energía eléctrica y disminuir los efectos ambientales producidos por la carga de aparatos electrónicos pequeños, es la creación de un prototipo seguidor solar que alimentara estos dispositivos aprovechando la energía solar. 10

Hipótesis El prototipo seguidor solar Jugando con el Sol es una alternativa viable para alimentar de corriente eléctrica diversos gadgets 1. Construcción del prototipo A continuación, se describen los materiales, conexiones, armado y programación del prototipo: Material Cantidad Elemento Costo 1 Tarjeta Arduino UNO $160.00 2 Servomotor $50.00 4 Fotorresistores (LDR) $6.00 1 Panel solar $100.00 4 Resistencias 100kohms $4.00 1 Placa de aluminio $40.00 1 m Cable calibre 14 $15.00 1 Placa de plástico transparente $20.00 1 Tubo de silicón $15.00 1 Protoboard $20.00 Total: $430.00 1 Un gadget es un dispositivo que tiene un propósito y una función específica, generalmente de pequeñas proporciones, práctico y a la vez novedoso. 11

Diagrama de conexión Figura 7. Diagrama de conexión del seguidor solar Evidencias de construcción del prototipo Figura 8. Construcción del prototipo 12

Figura 9. Evidencias de construcción del prototipo Programación del prototipo #include <Servo.h> //definir Servos Servo servohorizontal; //Servo horizontal int servoh = 0; //iniciar en posición 0 int servohlimitealto = 160; //Límite int servohlimitebajo = 20; //Límite Servo servovertical; //Servo vertical int servov = 0; //Iniciar en posición 0 int servovlimitealto = 160; //Límite int servovlimitebajo = 20; //Límite //Asignación LDRs o fotoresistores int ldrsuperiorizquierda = 3; // superior izquierda LDR verde int ldrsuperiorderecha = 2; // superior derecha LDR amarillo int ldrinferiorizquierda = 1; // inferior izquierda LDR azul int ldrinferiorderecha = 0; // inferior derecha LDR rojo //Asignacion de los fotoresistores void setup () servohorizontal.attach(10); //Puerto 10 Horizontal servohorizontal.write(20); //Grado 20 servovertical.attach(9); //Puerto 9 Vertical 13

servovertical.write(20); //Grado 20 delay(5000); //Tiempo en tardar Serial.begin(9600); //Abre el puerto serie y fija la velocidad en baudios para la transmisión de datos en serie, comunicandose con el ordenador void loop() servoh = servohorizontal.read(); //Leer la variable servov = servovertical.read(); //Leer la variable //Capturando valores analógicos de cada LDR nombres en cada posición en los que se encuentran int superiorizquierdo = analogread(ldrsuperiorizquierda); int superiorderecho = analogread(ldrsuperiorderecha); int inferiorizquierdo = analogread(ldrinferiorizquierda); int inferiorderecho = analogread(ldrinferiorderecha); /* Descomentar para que se muestren cada uno de los valores de los fotoresistores en el monitor //Serial.print("SUP. IZQ"); //Serial.println(superiorIzquierdo); //Serial.print("SUP. DER"); //Serial.println(superiorDerecho); //Serial.print("INF. IZQ"); //Serial.println(inferiorIzquierdo); //Serial.print("INF. DER"); //Serial.println(inferiorDerecho); //delay(300); */ // Calcular promedio int promediosuperior = (superiorizquierdo + superiorderecho) / 2; //promedio superior de LDRs int promedioinferior = (inferiorizquierdo + inferiorderecho) / 2; //promedio inferior de LDRs int promedioizquierdo = (superiorizquierdo + inferiorizquierdo) / 2; //promedio izquierdo de LDRs 14

int promedioderecho = (superiorderecho + inferiorderecho) / 2; //promedio derecho de LDRs if (promediosuperior < promedioinferior) // Si el promedio superior es menor al promedio inferior se ejecutará el siguiente bloque servovertical.write(servov + 1); // El servo vertical se movera con +1 if (servov > servovlimitealto) // Si el servo vertical es mayor al límite alto 160 servov = servovlimitealto; //El servo vertical se detendrá delay(10); // tiempo en tardar else if (promedioinferior < promediosuperior) // Si el promedio inferior es menor al promedio superior se ejecutará el siguiente bloque servovertical.write(servov - 1); // El servo vertical se movera con -1 if (servov < servovlimitebajo) // Si el servo vertical es mayor al límite bajo de 20 servov = servovlimitebajo; //El servo vertical se detendrá delay(10); (tiempo en tardar) else servovertical.write(servov);//envía la señal el dato ServoV para que se coloque en la posición indicada if (promedioizquierdo > promedioderecho) //Si el promedio Izquierdo es menor al promedio derecho se ejecutará el siguiente bloque servohorizontal.write(servoh + 1); //El servo se movera con +1 if (servoh > servohlimitealto) //Si el servo horizontal es mayor al límite alto 160 15

servoh = servohlimitealto; //El servo horizontal se detendrá delay(10); else if (promedioderecho > promedioizquierdo) //Si el promedio derecho es menor al promedio izquierdo se ejecutará el siguiente bloque servohorizontal.write(servoh - 1); // El servo horizontal se movera con -1 if (servoh < servohlimitebajo) // Si el servo horizontal es mayor al límite bajo de 20 servoh = servohlimitebajo; //El servo horizontal se detendrá delay(10); //Tiempo else servohorizontal.write(servoh); //Envía la señal el dato ServoH para que se coloque en la posición indicada delay(50); /* //Descomentar para confirmar el movimiento de los servo motores. int superiorizquierdo = analogread(ldrsuperiorizquierda); int superiorderecho = analogread(ldrsuperiorderecha); int inferiorizquierdo = analogread(ldrinferiorizquierda); int inferiorderecho = analogread(ldrinferiorderecha); servovertical.write(160); 60); delay(500); servovertical.write(20); servohorizontal.write(20); delay(500); */ servohorizontal.write(1 16

Resultados Se logró la construcción del prototipo de un seguidor solar con Arduino. Se probó para alimentar un ventilador portátil y un teléfono celular, funcionando correctamente para ambos casos. Figura 10. Prototipo Jugando con el Sol Para observar el video que muestra el funcionamiento del prototipo haga clic en el siguiente enlace: Prototipo Jugando con el sol. 17

Análisis e interpretación de resultados Los resultados obtenidos nos permiten afirmar que la energía solar puede ser una alternativa viable para alimentar de corriente eléctrica diversos gadgets 2 que cada vez se utilizan con mayor frecuencia en la vida diaria. También, durante nuestras pruebas, pudimos constatar que el uso de un seguidor solar tiene ventajas sobre un panel solar fijo ya que se incrementa la producción de energía eléctrica y se consigue alargar el tiempo de máxima potencia. Una desventaja de este prototipo es su costo, que desde nuestro punto de vista es muy caro, pero pensamos que conforme pase el tiempo, el costo de la materia prima para su construcción disminuirá y saldrá más barata su construcción y, por consiguiente, se incrementará la posibilidad de su comercialización. Figura 11. Prototipo Jugando con el Sol" 2 Un gadget es un dispositivo que tiene un propósito y una función específica, generalmente de pequeñas proporciones, práctico y a la vez novedoso. 18

Conclusiones Las energías renovables se están utilizando cada vez con mayor frecuencia en las actividades humanas con el fin de revertir parte del daño que hemos hecho a nuestro medio ambiente. Por ello, es importante comprender su funcionamiento y valorar su uso. La investigación que realizamos al crear el prototipo Jugando con el Sol fue una experiencia muy valiosa para nosotras, ya que nos permitió comprender, ligar y aplicar los conocimientos que aprendimos durante este ciclo escolar en las asignaturas de Física IV e Informática Aplicada a la Ciencia y la Industria, así como en nuestras clases de Estudio Técnico Especializado en Computación. Así, pudimos aplicar los conceptos físicos fundamentales de la electricidad a través de la solución de un problema disciplinar y del entorno, analizando, describiendo y explicando el funcionamiento de la transformación de la energía y uso automatizado de motores eléctricos mediante la programación en la plataforma Arduino. También aprendimos el procedimiento para elaborar una investigación científica, y todo lo que esto involucra, como trabajar en equipo, ser pacientes y perseverantes en el proceso de conexión y programación de un prototipo electrónico, porque no podemos negar, que nos equivocamos muchas veces y echamos a perder muchas cosas, pero finalmente, al ver nuestro proyecto terminado, nos sentimos muy orgullosas y satisfechas de nuestro trabajo. 19

Referencias Alica. (2013). Energías Renovables - La energía solar fototérmica. Recuperado el 2 de febrero de 2018, de: https://ahorrodeenergiaeficaz.wordpress.com/2011/04/25/energias-renovables-laenergia-solar-fototermica/ AliExpress. (2019). Panel solar [imagen]. Recuperado el 6 de febrero de 2019, de: https://ae01.alicdn.com/kf/htb1v9w8rxxxxxbzxfxxq6xxfxxxf/panel-solarmini-6-v-110ma-sistema-de-energ-a-solar-diy-para-el-tel-fono.jpg Damia Solar. (2015). Cómo funciona el efecto fotovoltaico? Recuperado el 5 de febrero de 2019, de: https://www.damiasolar.com/actualidad/blog/articulos-sobrela-energia-solar-y-sus-componentes/funcionamiento-efecto-fotovoltaico_1 EcuRed. (2019). Fotorresistencia [imagen]. Recuperado el 16 de febrero de 2019, de: https://www.ecured.cu/fotorresistencia#/media/file:fotorresistencia.jpg Energía solar. (2017). Panel solar. Recuperado el 5 de febrero de 2019, de: https://solar-energia.net/definiciones/panel-solar.html Ercilla, S. y Muñoz, C. (2003). Física General. Editora Tébar Flores. Guilarte, I. (2017). Arduino UNO [imagen]. Recuperado el 7 de febrero de 2019, de: https://1.bp.blogspot.com/n5vqkimqbx0/whinrwm3dqi/aaaaaaaan5i/adazj06 RRJgyeL-qhQUZyUdoZyY6cNyQACLcBGAs/s640/UNO.jpg Ministerio de Educación y Formación Profesional del Gobierno de España. (2018). La energía. Recuperado el 2 de febrero de 2019, de: http://newton.cnice.mec.es/materiales_didacticos/energia/no_renovables.htm?4&2 QKSOL. (2018). Sistema seguimiento solar [imagen]. Recuperado el 6 de febrero de 2019, de: https://qksol.com/wp-content/uploads/2016/07/sistema-seguimientosolar-1.png 20

Robu.in (2018). Servomotor [imagen]. Recuperado el 16 de febrero de 2019, de: https://robu.in/wp-content/uploads/2017/09/img_0521.jpg Roseguel. (s/f). Celda solar [imagen]. Recuperada el 6 de febrero de 2019, de: https://users.dcc.uchile.cl/~roseguel/celdasolar.gif Sunfields. (2015). Módulos fotovoltaicos. En qué consiste el efecto fotovoltaico? Recuperado el 3 de febrero de 2019, de: https://www.sfesolar.com/noticias/articulos/modulo-fotovoltaico-efecto-fotovoltaico/ 21