Diseño de la automatización y la plataforma de un sensor de radiación solar directa en Arduino

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería de Telecomunicación Formato de Publicación de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Autor: F. Javier Payán Somet Tutor: Juan José Murillo Fuentes Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2013 Trabajo de Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Diseño de la automatización y la plataforma de un sensor de radiación solar directa en Arduino Autor: Christian Naranjo Moreno-Arrones Tutor: Ramón Andrés García Rodríguez y Eduardo Fernández Camacho Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo de Fin de Grado Ingeniería Aeroespacial Diseño de la automatización y la plataforma de un sensor de radiación solar directa en Arduino Autor: Christian Naranjo Moreno-Arrones Tutor: Ramón Andrés García Rodríguez y Eduardo Fernández Camacho Dpto. Ingeniería de Sistemas y Automática Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2022 Trabajo de Fin de Grado: Diseño de la automatización y la plataforma de un sensor de radiación solar directa en Arduino Autor: Christian Naranjo Moreno-Arrones Tutor: Ramón Andrés García Rodríguez y Eduardo Fernández Camacho El tribunal nombrado para juzgar el trabajo arriba indicado, compuesto por los siguientes profesores: Presidente: Vocal/es: Secretario: acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Fecha: Agradecimientos Qu iero agradecer a todos los profesores que he tenido, tanto en la universidad como fuera de ella, por haber fomentado el desarrollo de mi curiosidad. También quiero agradecer a aquellos que me han formado como profesional y como persona, realizando un trabajo que nunca se podrá valorar lo suficiente. También a mi familia, que me ha dedicado todo su tiempo, todo su esfuerzo y todos sus recursos con tal de educarme y formarme lo mejor posible para afrontar la vida Christian Naranjo Moreno-Arrones Sevilla, 2022 I Resumen En un mundo donde la forma de obtener energía está en el debate público, la que procede del Sol puede ser un valuarte importante en las próximas décadas. Por ello es crucial saber cómo aprovecharla al máximo. En ese sentido surge la idea de este TFG: diseñar la manera de automatizar de la forma más eficiente la energía solar directa recibida haciendo uso de la algoritmia y una plataforma adecuada al movimiento diario del Sol. III 2Capítulo 1. Introducción Figura 1.1 Estructura interna del Sol. de la radiación visible, también tienen origen solar como la luz de la luna o el resplandor del aire. Más abajo, se encuentran la luz de las estrellas, la luz de nuestra propia galaxia y finalmente la luz extragaláctica, cuyo pico en la distribución espectral están en la región de microondas. Figura 1.2 Distribución de frecuencias de algunas contribuciones a la radiación total. El Sol emite un flujo de radiación de 3.85 ·1026 W, de lo cuales la Tierra absorbe 1.1·1017 W, que llega en forma de ondas electromagnéticas de difente longitud de onda, como podemos observar en la figura 1.5. Figura 1.3 Espectro solar. 1.1 Radiación solar 3 1.1.2 Dirección de incidencia Una vez vista la procedencia de la radiación solar, las causas de su flujo irregular en origen,la importancia que tiene en comparación con otro tipo de radiaciones que llegan a la Tierra y la definición del espectro solar, se procede a analizar 3 categorías en función de la dirección de incidencia: directa,difusa y reflejada. La irradiancia es la unidad utilizada para describir el valor de la potencia luminosa (energía/unidad de tiempo) incidente en un determinado instante por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética.Sus unidades de medida son: W/m2. El estudio de la dirección con la cual incide la radiación solar sobre los cuerpos situados en la superficie terrestre es de especial importancia cuando se desea conocer su comportamiento al ser reflejada. La dirección en que el rayo salga reflejado dependerá de la incidente. Irradancia solar directa Es aquella que llega al cuerpo desde la dirección del Sol. Para que se vea más claro los órdenes de magnitud en términos energéticos se adjunta un mapa de la irradancia solar normal en el planeta. Figura 1.4 Mapa mundial de llegada de radiación solar directa. Irradancia solar difusa Es aquella cuya dirección ha sido modificada por diversas circunstancias (densidad atmosférica, partículas u objetos con los que choca, reemisiones de cuerpos, etc.). Por sus características, esta luz se considera venida de todas direcciones. En un día nublado, por ejemplo, solo tenemos irradancia difusa. Figura 1.5 Mapa mundial de llegada de radiación solar total. Irradancia solar reflejada Es la radiación directa y difusa que se recibe por reflexión en el suelo u otras superficies próximas. Para comparar órdenes de magnitud de ambos tipos de radiación se adjunta un mapa mundial de la llega de radiación solar global, que junto a la figura 1.4 nos hace concebir qué peso tiene cada una.Centrándonos en 4Capítulo 1. Introducción España no parece haber una gran diferencia en el mapa de colores por lo que podemos deducir que la gran mayoría de irradiación que llega es directa (∼5.5 kW h m2). 1.1.3 Perturbaciones externas Una vez visto cómo se genera la radiación solar y de qué manera llega a la Tierra, vamos a analizar las perturbaciones intrínsecamente ligadas a nuestro planeta que alteran la irradancia que llega a la superficie: la posición geográfica, la estacionalidad, la influencia de la atmósfera, las inclemencias meteorológicas o las características de la órbita Tierra-Sol. Para comprender primero por qué hay variaciones en la llegada de radiación solar en función de la posición geográfica (latitud) y el día del año, hay que describir la órbita de la Tierra alrededor del Sol. La Tierra se mueve en una órbita elíptica, con el Sol en uno de sus focos y período aproximado de 365.25 días. La distancia más cercana entre la Tierra y el Sol es 147 millones de km aproximadamente, lo que se conoce como perihelio, y la más lejana 152 millones de kilómetros aproximadamente lo que se conoce como afelio. El plano de la órbita, conocido como eclíptica, forma un ángulo de 23.5ºcon el ecuador o el eje de la Tierra, lo que da lugar a la estaciones o, en un sistema inercial centrado en la Tierra, a una variación de la declinación solar de +23.5º, en verano, a -23.5º, en invierno. Paradojicamente, esta disposición de los cuerpos hace que, en el Hemisferio Norte, el verano sea cuando el Sol está más alejado de la Tierra e invierno cuando está más cercano. Esto es debido a que los rayos solares serán más directos cuanto mayor sea la declinación, es decir, cuanto menor sea la diferencia entre nuestra latitud y la declinación solar con menor inclinación recibiremos los rayos. Este movimiento se ve muy bien en la siguiente figura, representando ambos cuerpos celestes en el Sistema Heliocéntrico Inercial. El movimiento de rotación de la Tierra alrededor de su eje, con un periodo aproximado de 24 horas, hace que, desde nuestra posición, sólo "veamos" a la estrella durante un cierto tiempo de esas horas; tiempo que también dependerá de la declinación solar, es decir, del momento del año en que estemos. Figura 1.6 Órbita de la Tierra alrededor del Sol. La radiación solar al pasar por la atmósfera sufre un proceso de debilitamiento por la dispersión (debida a los aerosoles), la reflexión (por las nubes) y la absorción (por las moléculas de gases y por partículas en suspensión), por lo tanto, la radiación solar reflejada o absorbida por la superficie terrestre (océano o continente) es menor a la del tope de la atmósfera. Esto depende de la longitud de onda de la energía transmitida y del tamaño y naturaleza de la sustancia que modifica la radiación. La superficie de la Tierra, suelos, océanos, y también la atmósfera, absorbe energía solar y la vuelven a irradiar en forma de calor en todas direcciones. La radiación solar viaja en línea recta, pero los gases y partículas en la atmósfera pueden desviar esta energía, lo que se llama dispersión. La dispersión ocurre cuando un fotón se encuentra un obstáculo sin ser absorbido cambiando solamente la dirección del recorrido de ese fotón. La dispersión depende de la longitud de onda, en el sentido de que cuanto más corta sea ésta, tanto mayor será la dispersión. Moléculas de gas con tamaños 1.1 Radiación solar 5 relativamente pequeño comparadas con la longitud de onda causan que la radiación incidente se disperse en todas las direcciones, hacia adelante y hacia atrás, este fenómeno es conocido como dispersión de Rayleigh. Aerosoles cuyos tamaños son comparables o exceden a las longitudes de onda de la radiación incidente, hacen que ésta no se disperse en todas las direcciones sino mayormente hacia adelante, fenómeno llamado dispersión de Mie. El proceso de la dispersión explica cómo un área con sombra o pieza sin luz solar está iluminada, le llega luz difusa o radiación difusa. La capacidad de reflexión o fracción de la radiación reflejada por la superficie de la tierra o cualquier otra superficie se denomina albedo. El albedo planetario es en promedio de un 30 % El albedo es variable de un lugar a otro y de un instante a otro, depende de la cobertura nubosa, naturaleza de la superficie, inclinación de los rayos solares, partículas en el aire, etc Figura 1.7 Tipos de radiaciones solares que llegan a la superficie. Con todos estos movimientos acoplados y capas heterogéneas que tiene que recorrer un rayo solar hasta llegar a la superficie parece que diseñar un modelo para predecir la radiación solar directa no es una cuestión baladí. De esa dificultad nace este proyecto para intentar crear un algoritmo que sea capaz de buscar la máxima eficiencia en la recepción de irradancia solar mediante la entrada de datos al instante, la gestión de los mismos y ,en base a estos, reposicionar el sensor. 1.1.4 Centrales termosolares Una vez vista el objeto de este proyecto es necesario extrapolar cuál es la utilidad a gran escala,es decir, analizar las distintas centrales termosolares. En líneas generales, una central termosolar genera energía mediante la radiación solar, reflejando y concentrando los rayos del sol en un punto para obtener elevadas temperaturas. Sobre ese punto circula un fluido cuyo calor se utilizará para calentar agua hasta generar vapor. Dicho vapor moverá una turbina que, por la ley de inducción de Faraday, generará una corriente eléctrica que entrará en la red eléctrica. A diferencia de las centrales termosolares, las centrales fotovoltaicas generan la corriente transformando los fotones de la radiación solar en corriente (Efecto fotoeléctrico). El rendimiento de una central termosolar por área es superior a una central fotovoltaica, aunque su coste es superior. Existen diferentes tipos de centrales termosolares, estos son los principales: Central termosolar de canales parabólicos Está tecnología usa espejos cóncavos montados en forma de canal para dirigir los rayos del sol hacia el fluido que circula por un conducto situado en el foco de la parábola. El calor adquirido se utiliza para generar vapor o se almacena en sales para su posterior uso. Los espejos son montados sobre una estructura capaz de girarlos. El objetivo es seguir la trayectoria solar a lo largo del máximo de horas posibles. La complejidad y, por tanto, el aumento en el coste de fabricación de los espejos, radica en alcanzar la forma cóncava adecuada, necesaria para obtener un aprovechamiento óptimo de captación de la radiación solar. 6Capítulo 1. Introducción Figura 1.8 Central Termosolar de canales parabólicos de «La Africana» promovida por el grupo Magtel. Central termosolar de Heliostatos Este tipo de centrales termosolares requiere de una gran superficie para ubicar los heliostatos, que son los espejos que utiliza este tipo de central. Los espejos se montan sobre una estructura capaz de girar en el plano horizontal y vertical, de esta manera reflejan los rayos durante el día sobre una torre concentrándose una elevada temperatura. Esta tecnología presenta una gran complejidad como consecuencia de que cada espejo requiere de un sistema electrónico independiente de posicionamiento. Figura 1.9 Central Termosolar PS10 de Abengoa en Sanlúcar la Mayor, primera Central de Heliostatos en el mundo.. Central termosolar con reflectores lineales Fresnel. Las centrales termosolares con reflectores lineales Fresnel utilizan espejos planos lo que supone la gran diferencia respecto a las centrales de espejos cóncavos. Esta característica hace más barata la instalación de este tipo de centrales ya que la fabricación de estos espejos convencionales es mucho más simple. Figura 1.10 Central Termosolar con reflectores lineales de Magtel en Aerópolis. 1.1 Radiación solar 7 Central termosolar con discos parabólicos de Stirling. Una central termosolar con discos parabólicos de Stirling cuenta con concentradores parabólicos independientes. En el foco se coloca un motor quel transforma la energía recibida térmica en un giro mecánico.El motor lleva acoplado a su vez un generador eléctrico que convierte el giro mecánico en corriente eléctrica. Así cada unidad produce energía eléctrica de manera independiente. Figura 1.11 Central Termosolar con discos parabólicos en Villarobledo, primera en España de este tipo.. 2 Ecuaciones solares La primera acción que llevará a cabo nuestro dispositivo será posicionarse de forma que apunte al Sol y a partir de ahí inicializar el algoritmo de búsqueda,en función de los datos de entrada de los 4 fotodiodos, y resituarse conforme el Sol se vaya desplazando. Por ello es necesario una primera estimación teórica de la posición del Sol desde el punto de vista del sensor (Sistema de referencia topocéntrico), es decir, conocer el azimut y la elevación de la estrella.En esta sección se analizará este problema haciendo uso del triángulo astronómico, con distintas hipótesis simplificativas y describiremos cuáles son los parámetros de entrada. 2.1 Triángulo astronómico Sea un cuerpo "infinitamente" distante de la Tierra, con declinación δS , cuyas coordenadas topocéntricas respecto a un observador O son su elevación,h, y su azimut,Az.El observador se encuentra en un punto de la Tierra de latitud φ y el ángulo horario del cuerpo celeste respecto al observador es HS .Recordemos que el ángulo horario es la diferencia entre el meridiano del observador y el meridiano en el que se encuentra S, de forma que: HS=LST −ARS=GST0+λ+ωT·t−ARS(2.1) El triángulo astronómico permite obtener una pareja de datos (coordenadas de S topocéntricas o geocétricas, coordenadas del observador) a partir del resto. Figura 2.1 Origen del triángulo astronómico. La clave para plantear el triángulo consiste en desplazar el centro del sistema de referencia geocéntrico al observador (esfera celeste centrada en observador); no se alteran las coordenadas angulares de S por la hipótesis de estar “infinitamente” distante de la Tierra. En la figura, Z es el zenit,N,S,E,W los puntos cardinales, y P la dirección del eje de la Tierra (hacia la estrella polar). Extrayendo el triángulo esférico resultante y haciendo uso de la trigonometría esférica procedemos a analizar matemáticamente el problema. 9 10 Capítulo 2. Ecuaciones solares Figura 2.2 Triángulo astronómico. Del triángulo, obtenemos aplicando dos veces la ley de cosenos y recordando que sen(90 −α) = cos(α) y cos(90 −α) = sen(α), se tiene: sen(δS) = sen(φ)·sen(h)+cos(φ)·cos(h)·cos(Az)(2.2) sen(h) = sen(φ)·sen(δS)+cos(φ)·cos(δS)·cos(HS)(2.3) Usando las dos ecuaciones podemos obtener una pareja cualesquiera de datos, en nuestro caso tenemos que resolver un problema de observación ya que nuestras incógnitas son h y Az. Para resolver las ambigüedades de signo se hace uso de la ley de senos sen(Az) cos(δS)=−sen(HS) cos(h) y los límites físicos δS,φ,h ∈[-90º,90º]. A continuación, se procederá a describir y a modelar las variables de entrada (todas aquellas que no son h y Az). Latitud y longitud La latitud(φ) y la longitud(λ) de nuestro dispositivo son datos de entrada de nuestro algoritmo. Haciendo uso de un mapa o,para más precisión,de alguna herramienta interactiva en Internet se pueden obtener estos parámetros. Declinación solar Como se describió cuando se explicaron las caracterísitcas de la órbita Tierra-Sol,en la Introducción,el ángulo que forman el plano ecuatorial de la Tierra y la línea que une los centros del Sol y de la Tierra cambia en cada instante. Este ángulo es llamado declinación solar δS .La declinación es 0ºen los equinoccios de primavera y otoño y tiene un valor aproximado de 23.5ºen el solsticio de verano y cerca de -23.5ºen el solsticio de invierno. Para la declinación solar pueden consultarse efemérides.También puede determinarse mediante la aplicación de fórmulas y expresiones aproximadas, que dan su valor con diversos grados de precisión reportados por numerosos autores, la más importante de ellas y las ampliamente citada en la literatura solar corresponde a la de Spencer(1971), que es la que utilizaremos en nuestro dispositivo.La ecuación presenta la siguiente expresión,en radianes: δS=0.006918 −0.399912 ·cos(Γ)+0.0070257 ·sen(Γ)−0.006758 ·cos(2Γ)+0.000907 ·sen(2Γ) −0.002697 ·cos(3Γ)+0.00148 ·sen(3Γ) (2.4) Donde Γ ,llamado ángulo horario, viene dado por: Γ=2·π·(dn−1) 365 , donde dn corresponde al número del día juliano del año (1≥dn≥365), variando desde 1 para el 1 de enero, hasta 365 para el 31 de diciembre. Ángulo horario, HS Como se ha descrito anteriormente, el ángulo horario es la diferencia entre el meridiano del observador y el meridiano en el que se encuentra el Sol.La ecuación que utilizamos para calcular este ángulo en el algoritmo 2.1 Triángulo astronómico 11 es la siguiente: HS=GST +λ−ARS(2.5) El primer término, GST(Greenwich Sidereal Time), es el ángulo que forma (en un determinado instante) el meridiano de Greenwich con el primer punto de Aries( γ ) el cual cual lo deermina la línea de intersección entre la ecliptica y el ecuador terrestre, o lo que es lo mismo, la línea que une el Sol y la Tierra justo en el equinoccio de primavera. Su interés reside en ubicar el meridiano de Greenwich, en un momento dado, en el Sistema Geocéntrico Ecuatorial, un sistema de referencia independiente de la rotación de la Tierra sobre su eje. Como nuestras mediciones se generan en la Tierra no podemos esquivar la rotación terrestre por lo que GST debe ser calculado mediante fórmulas o efemérides.Para este proyecto hemos optado por obtenerlo mediante una herramienta web del National Astronomical Observatory of Japan (NAOJ), en el que se deben introducir el día y la hora local (URL: https:// eco.mtk.nao.ac.jp/ cgi-bin/ koyomi/ cande/ gst_en.cgi) El segundo término es la longitud, λ, parámetro conocido. El tercer término es la ascensión recta del Sol, es decir, el ángulo que forma en cada instante con el primer punto de Aries.Para resolverlo hacemos uso de un nuevo triángulo esférico determinado por el meridiano del observador, el ecuador terrestre y la eclíptica vista desde un sistema de referencia geocéntrico inercial. Figura 2.3 Triángulo esférico utilizado para calcular la ascensión recta del sol. El parámetro i no es más que la diferencia angular entre el ecuador y la eclíptica, es decir, 23.5º. Lo que en la figura llama λues nuestra incógnita, la ascensión recta. Por último el parámetro ω + θ caracteriza lo alejados que estamos del primer punto de Aries (Equinoccio de Primavera), es decir, el día concreto del año. Haciendo uso de la trigonometría esférica llegamos a la siguiente expresión: tan(ARS) = cos(23.5o)·tan(ω+θ)(2.6) Si suponemos circular la órbita de la Tierra alrededor del Sol podemos modelar ω+θcomo: ω+θ=∆T 365.25 ·360o(2.7) El término ∆Tno es más que la diferencia entre la fecha actual y el Equinoccio de Primavera. Por lo tanto, despejando de 2.6: ARS=arctan(cos(23.5o)·tan(ω+θ)) (2.8) Como la órbita terrestre es simétrica habrá que resolver la ambigüedad resultante en función de la época del año. La hipótesis introducida (órbita Tierra-Sol circular) incorpora un error máximo de 2º, por lo que como se está posicionando el sensor en una primera aproximación, es un error asumible. De esta manera quedan caracterizados todos los parámetros necesarios para calcular la elevación y el azimut del Sol en una posición geográfica determinada en un momento concreto del año y del día. 18 Capítulo 3. Hardware Figura 3.11 Ancho de banda de la señal para el servo parado, a favor y en contra de las agujas del reloj. 3.6 Lector de memoria tarjeta MicroSD Este elemento permite leer y escribir datos en una tarjeta MicroSD, dando la flexibilidad de poder extraerlos cada vez que se requieran y trabajar con ellos en el ordenador. Con este material en bruto, proveniente de distintos sensores, se podrá realizar un análisis y sacar conclusiones una vez acabado el experimento.Esto nos permite utilizar el sensor durante periodos de tiempo más largos (horas), salvando el obstáculo que supone la poca memoria que tiene la placa de Arduino. A nivel interno, el dispositivo cuenta con un nivelador de señal de 5V a 3.3V, los pines para la interfaz SPI, los pines de alimentación de 5V y un regulador lineal de tensión de 5V a 3.3V. Figura 3.12 Lector de tarjetas MicroSD mediante bus SPI. 4 Diseño del Pan and Tilt En este apartado se describe el proceso del diseño de un sistema mecánico con dos grados de libertad, elevación y azimuth, compatible con los servos utilizados y con la protoboard de 8.5x5.5 cm y que posteriormente se imprimirá en una impresora 3D. Para la implementación de los diseños se ha utilizado la herramienta gráfica CATIA V5 R19. 4.1 Base y cubierta del servo de azimuth Esta pieza está diseñada para fijarse a una base de madera mediante 4 tornillos y proporcionar estabilidad al conjunto. Para ello, primero se creó en un "sketch" un rectángulo cuyas proporciones son 58 mm por 22 mm. Figura 4.1 Sketch del rectángulo de la base del mecanismo. Posteriormente, se le da la altura necesaria atendiendo a las especificaciones dimensionales del servo, en este caso 42 mm. Para hacer encajar el servo que hace el movimiento de azimut se le da un grosor a la pieza de 1 Figura 4.2 Altura de la base. 19 20 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt mm. Hay que tener en cuenta que por cada lado se deja un juego de 0.5 mm, suficiente para que el servo entre sin problemas pero restringiendo el movimiento para evitar inexactitudes en las medidas o que el par no ejerza suficiente fuerza sobre el resto de las piezas. Figura 4.3 Sketch del grosor de la base. El último paso para crear el continente del servo de azimut es hacer hueca la pieza con las dimensiones de altura de nuestro servo y un juego de 0.5 mm; para ello la altura necesaria es 42 mm. Figura 4.4 Altura para hacer la pieza hueca. Ahora se va a proceder a crear el agujero por donde saldrán las aspas que transmitirán el par. Para ello se realiza un sketch de 20 mm por 20 mm con los bordes redondeados con radio 5 mm y en una posición tal que el eje de giro del servo coincida con el centro geométrico de la figura. 4.1 Base y cubierta del servo de azimuth 21 Figura 4.5 Sketch del agujero para el eje de giro. La pieza una vez comandado al programa que haga el agujero luce tal que así. Figura 4.6 Pieza 3D con el agujero para dar salida al eje de giro. Para hacer una estructura estable es necesario aumentar la superficie de contacto de la pieza con la base de madera a la que irá atornillada. Para esto se diseñan unos salientes los cuales llevarán un agujero para anclarlos de manera correcta. El proceso de creación es el siguiente: 1. Se hace el siguiente sketch en uno de los dos planos de simetría de la pieza, con una longitud de 60 mm y un radio de redondeo de 5 mm. Figura 4.7 Sketch de la primera estructura que da estabilidad al mecanismo . 22 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt 2. Se le da una anchura de 10 mm. Figura 4.8 Ancho de la primera estructura que da estabilidad al mecanismo . 3. De manera análoga se realiza el sketch de la segunda estructura en el segundo plano de simetría de la pieza. Figura 4.9 Sketch de la segunda estructura que da estabilidad al mecanismo . 4. Se le da un ancho de 7 mm. Figura 4.10 Ancho de la segunda estructura que da estabilidad al mecanismo. 4.1 Base y cubierta del servo de azimuth 23 5. Para poder fijar adecuadamente la pieza base se crea un agujero de 3 mm de diámetro en cada uno de los salientes. Figura 4.11 Agujeros para atornillar la base. Finalmente, para poder sacar el cable al exterior y hacer posible que se conecte al Arduino se crea un agujero en uno de los lados. 5. Para poder fijar adecuadamente la pieza base se crea un agujero de 3 mm de diámetro en cada uno de los salientes. Figura 4.12 Agujero para el cable que conecta el servo de azimut al Arduino. Finalmente, la pieza acabada en perspectiva isométrica luce de la siguiente manera. Figura 4.13 Base y cubierta del servo de azimut en perspectiva isométrica. 24 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt 4.2 Estructura de conexión del servo de azimut y el servo de elevación Posteriormente, se diseñó una estructura que hiciera de nexo entre el servo de azimut (fijo a la base de madera) y el servo que modifica la elevación. Para ello se optó por una plataforma en forma de L y con la "data sheet" de los servos se ajustaron las distancias y el tipo de tornillería a utilizar. El sketch de la L tiene unas dimensiones de 65 mm por 78 mm con un radio de redondeo en la unión de 3 mm. Figura 4.14 Sketch de la estructura en forma de L. A continuación, se establece un grosor de 4 mm y un ancho de 28 mm, suficiente para aportar la rigidez para soportar el par al que será sometida por el peso de las piezas que se mostrarán después. Figura 4.15 Estrucutura primaria en forma de L. El servo de elevación tiene 4 agujeros de 2 mm de diámetro para permitir un anclaje más fácil. Con las restricciones dimensionales del servo se diseña un nuevo sketch en la cara vertical de la estructura. Figura 4.16 Sketch para el anclaje del servo de elevación en la estructura. 4.3 Pieza de unión entre el servo de elevación y la cabeza 25 Para unir la L al servo de azimut se hacen 8 agujeros de 2 mm de diámetro para fijar a la base de la estructura dos de las aspas de la pieza que se unen al par del motor. Al unirlo mediante 8 tornillos la fuerza para mover el mecanismo en azimut se distribuye, haciéndola soportar menos esfuerzos. Figura 4.17 Sketch de los agujeros para unir el servo de azimut a la L. La pieza en perspectiva isométrica luce de la siguiente manera. Figura 4.18 L en perspectiva isométrica. 4.3 Pieza de unión entre el servo de elevación y la cabeza Se pasa a diseñar una pieza de unión entre el servo de elevación y otra que permita contener el Arduino y todos los cables y sensores. Primero de todo se crea una estructura cilíndrica que permita conectar con las aspas del rotor del servo de elevación.Para ello se hace un sketch con una circunferencia de 42 mm de diámetro. Figura 4.19 Dimensiones de la circunferencia. 26 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt El grosor del cilindro es de 4 mm, suficiente para aguantar los esfuerzos de flexión a los que será sometida la plataforma adyacente. Figura 4.20 Grosor del cilindro. Para fijar a las aspas del servo de elevación la pieza se crean 4 agujeros uniformemente distribuidos, como los creados para la fijación del servo de azimut con la L. Figura 4.21 Agujeros para la fijación con el servo de elevación. Posteriormente, se creará una base suficientemente robusta (78 mm por 4 mm de grosor) para soportar el peso de la estructura que contendrá al Arduino, los sensores y toda la circuitería. Figura 4.22 Sketch de la base de la cabeza. 4.4 Cabeza inferior 27 Para anclar la cabeza a la base de esta pieza se optan por tornillos 4 tornillos de 2 mm de diámetro uniformemente distribuidos por la base. Figura 4.23 Sketch de los agujeros de fijación a la cabeza. Finalmente, la pieza en perspectiva isométrica luce de la siguiente manera. Figura 4.24 Perspectiva isométrica del enganche del servo de elevación con la cabeza. 4.4 Cabeza inferior El siguiente paso es el diseño de la plataforma que albergue en su interior el Arduino, los sensores y los cables. Además, se creará de forma que limite la adquisición de energía a la solar directa. Para hacer la base se utiliza la herramienta "Rib" la cual necesita de dos sketchs: uno que determina la forma y su guía. Figura 4.25 Sketch que determina la forma de la base . 34 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt El próximo paso es cerrar la estructura mediante dos paredes, que se realizarán mediante el comando "Pad" y la creación de dos sketchs que rodeen la silueta de la actual pieza en las posiciones correctas. Finalmente se Figura 4.44 Sketchs para la pared trasera y delantera. ejecuta el comando "Pad" con un grosor de 2 mm obteniendo la siguiente pieza. Figura 4.45 Pieza con la creación de las paredes . Para aislar el sensor, al igual que hicimos en la cabeza inferior, realizaremos un agujero de las dimensiones del mismo. El sketch para tal cometido es el siguiente. Figura 4.46 Sketch para el agujero del sensor de radiación solar directa. Ejecutando el comando "Pocket" se obtiene la pieza con el agujero para el sensor de radiación solar directa. 4.5 Cabeza superior 35 Figura 4.47 Pieza con el agujero para el sensor. Además, son necesarios dos agujeros por los que se conectarán los dos servos al Arduino. Para ello el sketch diseñado es el siguiente: Figura 4.48 Sketch para los agujeros de los servos. Ejecutando el comando "Pocket" obtenemos la siguiente pieza. Figura 4.49 Cabeza superior con los agujeros para los servos. 36 Capítulo 4. Diseño del Pan and Tilt Por último, para realizar el acoplamiento macho-hembra descrito en el diseño de la pieza anterior se necesita crear unos salientes en la pieza que encajen. Para ello se realiza un sketch con circunferencias de manera que sean coincidentes con los agujeros de la cabeza inferior pero con un diámetro 1 mm inferior. Figura 4.50 Sketch para los salientes del acoplamiento con la cabeza inferior. Ejecutando la herramienta "Pad" con una longitud de 29 mm obtenemos lo siguiente. Por último, para Figura 4.51 Cabeza inferior con los salientes para el acoplamiento. facilitar el correcto encaje entre piezas se añade un suplemento a los salientes en forma de cono. Para ello se realizan 2 sketchs en 3D que guiarán al cono. Figura 4.52 Sketch 1 guía del cono. 4.6 Ensamblaje 37 Figura 4.53 Sketch 2 guía del cono. Finalmente la pieza acabada en vista isométrica luce tal que así. Figura 4.54 Cabeza superior en vista isométrica. 4.6 Ensamblaje El ensamblaje de todas las piezas se muestra a continuación. Figura 4.55 Ensamblaje en vista isométrica. 5 Montaje Una vez se tenían las piezas del mecanismo ensambladas se realizó el montaje de la circuitería. Lo primero de todo se pegó una protoboard pequeña a la base de la pieza que llamamos cabeza inferior. Se puede apreciar abajo la imagen de la estructura antes de iniciar el proceso de conexión del material electrónico. Figura 5.1 Estructura antes de iniciar el montaje de los sensores y circuitos. 5.1 Instalación del inclinómetro SW520D A continuación se pegó en la base lateral de la estructura que alberga los componentes electrónicos el inclinómetro en la posición más horizontal posible para que se llevara a cabo una primera orientación del sensor lo más precisa posible. Y se conectó al Arduino, con uno de los cables a tierra y el otro al pin digital 4. Figura 5.2 Acoplamiento del inclinómetro a la estuctura. 39 40 Capítulo 5. Montaje Figura 5.3 Conexión del inclinómetro. 5.2 Instalación del magnetómetro GY-271 Después se instala el magnetómetro GY-271 que servirá para orientar en primera aproximación la estructura en azimut. Las conexiones serán GND a tierra, VCC a la corriente de 5V, SCL corresponde en Arduino Micro al pin digital 2 y SDA corresponde al pin digital 3. Figura 5.4 Conexión del magnetómetro. 5.3 Instalación del sensor de radiación solar Posteriormente se instala el sensor de radiación solar que consta de 4 salidas analógicas. Por lo tanto, habrá una conexión a tierra, otra a la corriente de 5V y una por cada sensor a una entrada analógica del Arduino (A1,A2,A3,A4). 5.4 Instalación de los servos 41 Figura 5.5 Conexión del sensor de radiación. 5.4 Instalación de los servos La estructura tiene dos grados de libertad, por lo que el sistema cuenta con dos servos. Cada servo tendrá tres conexiones: una a tierra, otra a la corriente de 5V y otra a un del Arduino, en este caso D9 y D10. Figura 5.6 Conexión de los servos. 5.5 Instalación de la tarjeta SD La tarjeta de memoria para recoger los datos de medición del sensor tiene 6 conexiones: a tierra, a la corriente de 5 V y a los pines especiales de Arduino CS,MOSI,SCK y MISO.La tarjeta se instala en un lateral del cubículo donde está la electrónica, justo al lado del inclinómetro. 42 Capítulo 5. Montaje Figura 5.7 Disposición de la tarjeta SD. La conexión final de todos los elementos luce tal que así. Figura 5.8 Disposición final de la parte electrónica. Cerrando la parte superior de la estructura el montaje queda cerrado y el mecanismo listo para la toma de datos. Figura 5.9 Mecanismo listo para la parte experimental (Vista frontal). 5.5 Instalación de la tarjeta SD 43 Figura 5.10 Mecanismo listo para la parte experimental (Vista trasera). 50 Capítulo 6. Software 39 float w=0.5035; //Velocidad angular para servo.write(91) contrario agujas reloj 40 float t0,t1; 41 42 //VARIABLES SERVO DE ELEVACIÓN 43 int PINSERVO2=6; 44 float t2,t3; 45 46 //VARIABLES DEL INCLINÓMETRO SW520D 47 int pin_inc=2; 48 49 //VARIABLES SENSOR NANO-ISS60 50 int sensor1=A0; 51 int sensor2=A1; 52 int sensor3=A2; 53 int sensor4=A3; 54 55 //VARIABLES PARA EL ALGORITMO OCTOGONAL 56 int v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9,v10,v11,v12,v13,v14,v16,v17,v18,v19, v20,v21,v22,v23,v24,v25,v26,v27,v28,v29,v30,v31,v32 57 int data[32] 58 59 //VARIABLES PARA ALGORITMO DE ORDENACIÓN 60 int k, j, flag = 1; 61 int temp; 62 int posicion; 63 64 void setup(){ 65 Serial.begin(9600); 66 delay(5000); 67 68 //OBTENER COMPONENTES CAMPO MAGNÉTICO 69 Wire.begin(); 70 compass.initialize(); 71 compass.getHeading(&x, &y, &z); 72 //Calcular ángulo el ángulo del eje X respecto al norte 73 float azimut_real = atan2(y,x); 74 azimut_real = azimut_real - declinacion; //En radianes 75 if(azimut_real < 0) { 76 azimut_real = azimut_real + 2*pi; 77 } 78 79 //CÁLCULO ASCENSIÓN RECTA DEL SOL 80 u_sol=(t/365.25)*(2*pi); 81 AR_sol=atan(cos(inclinacion)*tan(u_sol)); 82 if(u_sol > pi/2 && u_sol<(3*pi/2)){ 83 AR_sol=AR_sol + pi; 84 } 85 HS=GST+longitud-AR_sol; 86 //CÁLCULO DE LA DECLINACIÓN SOLAR (ECUACIÓN DE SPENCER) 87 gamma=2*pi*(dn-1)/365; 88 declinacion_sol=0.0006918-0.399912*cos(gamma)+0.070257*sin(gamma) -0.006758*cos(2*gamma)+0.000907*sin(2*gamma)-0.002697*cos(3*gamma )+0.00148*sin(3*gamma); 89 90 //CÁLCULO ELEVACIÓN 6.2 Código con algoritmo octogonal 51 91 h=asin(sin(latitud)*sin(declinacion_sol)+cos(latitud)*cos( declinacion_sol)*cos(HS)); 92 Serial.print(h); 93 if(h>(pi/2) || h<(-pi/2)){ 94 h=pi-h; 95 } 96 //CÁLCULO AZIMUT 97 coseno_az=(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud)* cos(h)); 98 seno_az=-sin(HS)*cos(declinacion_sol)/cos(h); 99 if(coseno_az >= 0 && seno_az>=0){ 100 azimut=acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud) *cos(h)); 101 } 102 if(coseno_az<0 && seno_az>=0){ 103 azimut=acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud )*cos(h)); 104 105 } 106 if(coseno_az<0 && seno_az<0){ 107 azimut=2*pi-acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos( latitud)*cos(h)); 108 109 } 110 if(coseno_az>0 && seno_az<0){ 111 azimut=asin(-sin(HS)*cos(declinacion_sol)/cos(h)); 112 } 113 114 //POSICIONO SISTEMA EN AZIMUT 115 servo1.attach(PINSERVO,MIN,MAX); //Esta función otorga el pin donde se conecta el servo y los valores mímino y máximo del pulso asociados a 0o ¯y 180o ¯. 116 servo1.write(90); 117 t0=millis(); 118 if(azimut>azimut_real){ //Si el azimut que quiero es mayor que el real tendré que girar en sentido de las agujas del reloj 119 servo1.write(89); //El número indica los grados requeridos 120 t1=0; 121 while((t1-t0)<((azimut-azimut_real)/w)*1000){ 122 t1=millis(); 123 } 124 servo1.write(90); 125 } 126 else{//Si el azimut real es mayor que el quiero tendré que girar en sentido contrario a las agujas del reloj 127 servo1.write(91); //El número indica los grados requeridos 128 t1=0; 129 while((t1-t0)<((azimut_real-azimut)/w)*1000){ 130 t1=millis(); 131 } 132 servo1.write(90); 133 134 } 135 136 //POSICIONO SISTEMA EN ELEVACIÓN 137 pinMode(pin_inc,INPUT); 138 servo2.attach(PINSERVO2,MIN,MAX); 52 Capítulo 6. Software 139 servo2.write(90); 140 digitalWrite(pin_inc , HIGH); //activamos la resistencia interna PULL UP 141 t3=0; 142 while(digitalRead(pin_inc)==HIGH){ 143 servo2.write(91); //Colocamos el dispositivo en elevación 0 144 } 145 servo2.write(90); 146 t2=millis(); 147 while((t2-t3)<(h/w)*1000){ 148 servo2.write(89); //Colocamos el dispositivo con la elevación teórica 149 t3=millis(); 150 } 151 servo2.write(90); 152 } 153 154 void loop(){ 155 156 //CONTROL ALGORITMO OCTOGONAL 157 //Recogemos los valores en cada una de las 8 posiciones y los guardamos en el vector 158 for(int i=1;i<4;i++){ 159 servo1.write(89); 160 servo2.write(89); 161 data(i)=analogRead(sensor1) 162 data(i+1)=analogRead(sensor2) 163 data(i+2)=analogRead(sensor3) 164 data(i+3)=analogRead(sensor4) 165 servo1.write(90); 166 servo2.write(90); 167 } 168 169 for(int i;i<8;i++){ 170 servo1.write(92); 171 servo2.write(88); 172 data(i)=analogRead(sensor1) 173 data(i+1)=analogRead(sensor2) 174 data(i+2)=analogRead(sensor3) 175 data(i+3)=analogRead(sensor4) 176 servo1.write(90); 177 servo2.write(90); 178 } 179 for(int i;i<12;i++){ 180 servo1.write(88); 181 servo2.write(92); 182 data(i)=analogRead(sensor1) 183 data(i+1)=analogRead(sensor2) 184 data(i+2)=analogRead(sensor3) 185 data(i+3)=analogRead(sensor4) 186 servo1.write(90); 187 servo2.write(90); 188 } 189 for(int i;i<12;i++){ 190 servo1.write(92); 191 servo2.write(92); 192 data(i)=analogRead(sensor1) 193 data(i+1)=analogRead(sensor2) 6.2 Código con algoritmo octogonal 53 194 data(i+2)=analogRead(sensor3) 195 data(i+3)=analogRead(sensor4) 196 servo1.write(90); 197 servo2.write(90); 198 } 199 for(int i;i<16;i++){ 200 servo1.write(91); 201 servo2.write(92); 202 data(i)=analogRead(sensor1) 203 data(i+1)=analogRead(sensor2) 204 data(i+2)=analogRead(sensor3) 205 data(i+3)=analogRead(sensor4) 206 servo1.write(90); 207 servo2.write(90); 208 } 209 for(int i;i<20;i++){ 210 servo1.write(92); 211 servo2.write(91); 212 data(i)=analogRead(sensor1) 213 data(i+1)=analogRead(sensor2) 214 data(i+2)=analogRead(sensor3) 215 data(i+3)=analogRead(sensor4) 216 servo1.write(90); 217 servo2.write(90); 218 } 219 for(int i;i<24;i++){ 220 servo1.write(89); 221 servo2.write(92); 222 data(i)=analogRead(sensor1) 223 data(i+1)=analogRead(sensor2) 224 data(i+2)=analogRead(sensor3) 225 data(i+3)=analogRead(sensor4) 226 servo1.write(90); 227 servo2.write(90); 228 } 229 for(int i;i<28;i++){ 230 servo1.write(92); 231 servo2.write(89); 232 data(i)=analogRead(sensor1) 233 data(i+1)=analogRead(sensor2) 234 data(i+2)=analogRead(sensor3) 235 data(i+3)=analogRead(sensor4) 236 servo1.write(90); 237 servo2.write(90); 238 } 239 for(int i;i<12;i++){ 240 servo1.write(89); 241 servo2.write(91); 242 data(i)=analogRead(sensor1) 243 data(i+1)=analogRead(sensor2) 244 data(i+2)=analogRead(sensor3) 245 data(i+3)=analogRead(sensor4) 246 servo1.write(90); 247 servo2.write(90); 248 } 249 54 Capítulo 6. Software 250 //Algoritmo Bubble Sort de ordenación de un vector de mayor a menor. GUARDA LA POSICIÓN DEL VALOR NO EL VALOR EN SÍ 251 for (k=1;(k<=length) && flag; i++) 252 { 253 flag = 0; 254 for (j=0;j<(length - 1); j++) 255 { 256 if (data[j + 1] > data[j]) 257 { 258 temp = data[j]; 259 data[j] = data[j + 1]; 260 data[j + 1] = temp; 261 posicion=j; 262 flag = 1; 263 } 264 } 265 } 266 //En función de la posición llevamos el mecanismo al lugar donde el valor de entrada es mayor 267 if(posicion<=4){ 268 servo1.write(89); 269 servo2.write(89); 270 } 271 else if(posicion>4 && posicion <8){ 272 servo1.write(92); 273 servo2.write(88); 274 } 275 else if(posicion>8 && posicion <12){ 276 servo1.write(88); 277 servo2.write(92); 278 } 279 else if(posicion>12 && posicion <16){ 280 servo1.write(92); 281 servo2.write(92); 282 } 283 else if(posicion>16 && posicion <20){ 284 servo1.write(91); 285 servo2.write(92); 286 } 287 else if(posicion>20 && posicion <24){ 288 servo1.write(92); 289 servo2.write(91); 290 } 291 else if(posicion>24 && posicion <28){ 292 servo1.write(92); 293 servo2.write(89); 294 } 295 else if(posicion>28 && posicion <32){ 296 servo1.write(89); 297 servo2.write(91); 298 } 299 //Esperar un minutos 300 delay(60000) 301 } 6.3 Algoritmo en espiral 55 6.3 Algoritmo en espiral A continuación se desarrolla el código basado en un algoritmo en espiral, en el cual se recogerán 24 datos en una disposición en espiral y el mecanismo se moverá en consecuencia para lograr la posición del máximo. 1#include <math.h> 2#include <HMC5883L.h> 3#include <I2Cdev.h> 4#include <Servo.h> 5 6 7HMC5883L compass; //Doy orden de inicializar el procesador de la brú jula 8Servo servo1; //Servo de azimut 9Servo servo2; //Servo de elevación 10 11 //DATOS A INTRODUCIR PARA CALCULAR ELEVACIÓN Y AZIMUT TEÓRICOS 12 #define pi 3.14159 13 #define GST 4.58 //Greenwich Sidereal Time: Se introduce en función de la hora y día cuándo se empiece a medir 14 #define longitud -0.1047//Longitud dónde está el sensor 15 #define latitud 0.6524 16 #define inclinacion 0.410152 17 #define dn 52//Día juliano necesario para el cálculo de la declinació n en la ecuación de Spencer 18 #define t 336.25 //Diferencia de tiempo entre la fecha actual y el Equinoccio de Primavera 19 20 //VARIABLES QUE SE CALCULARÁN DESPUÉS MEDIANTE EL TRIÁNGULO ASTRONÓ MICO 21 float AR_sol; //Ascensión recta del Sol que se calculará después 22 float HS; //Ángulo horario (Triángulo astronómico) 23 float h; //Elevación 24 float declinacion_sol; //Declinación solar 25 float gamma; //ángulo diario necesario para el cálculo de la declinación en la ecuación de Spencer 26 float azimut; 27 float u_sol; 28 float seno_az; 29 float coseno_az; 30 31 //VARIABLES MAGNETÓMETRO 32 int16_t x,y,z; //Variables dónde guardaré los valores del magnetó metro en los 3 ejes 33 const float declinacion = -37*pi/180; //Corrección del error que da el magnetómetro https://www.ign.es/web/ign/portal/gmt-declinacion- magnetica 34 35 //VARIABLES SERVO DE AZIMUT 36 int PINSERVO=5; 37 int MIN = 1316; 38 int MAX = 1716; 39 float w=0.5035; //Velocidad angular para servo.write(91) contrario agujas reloj 40 float t0,t1; 41 56 Capítulo 6. Software 42 //VARIABLES SERVO DE ELEVACIÓN 43 int PINSERVO2=6; 44 float t2,t3; 45 46 //VARIABLES DEL INCLINÓMETRO SW520D 47 int pin_inc=2; 48 49 //VARIABLES SENSOR NANO-ISS60 50 int sensor1=A0; 51 int sensor2=A1; 52 int sensor3=A2; 53 int sensor4=A3; 54 55 //VARIABLES PARA EL ALGORITMO OCTOGONAL 56 int v1,v2,v3,v4,v5,v6,v7,v8,v9,v10,v11,v12,v13,v14,v16,v17,v18,v19, v20 57 int data[20] 58 59 //VARIABLES PARA ALGORITMO DE ORDENACIÓN 60 int k, j, flag = 1; 61 int temp; 62 int posicion; 63 64 void setup(){ 65 Serial.begin(9600); 66 delay(5000); 67 68 //OBTENER COMPONENTES CAMPO MAGNÉTICO 69 Wire.begin(); 70 compass.initialize(); 71 compass.getHeading(&x, &y, &z); 72 //Calcular ángulo el ángulo del eje X respecto al norte 73 float azimut_real = atan2(y,x); 74 azimut_real = azimut_real - declinacion; //En radianes 75 if(azimut_real < 0) { 76 azimut_real = azimut_real + 2*pi; 77 } 78 79 //CÁLCULO ASCENSIÓN RECTA DEL SOL 80 u_sol=(t/365.25)*(2*pi); 81 AR_sol=atan(cos(inclinacion)*tan(u_sol)); 82 if(u_sol > pi/2 && u_sol<(3*pi/2)){ 83 AR_sol=AR_sol + pi; 84 } 85 HS=GST+longitud-AR_sol; 86 //CÁLCULO DE LA DECLINACIÓN SOLAR (ECUACIÓN DE SPENCER) 87 gamma=2*pi*(dn-1)/365; 88 declinacion_sol=0.0006918-0.399912*cos(gamma)+0.070257*sin(gamma) -0.006758*cos(2*gamma)+0.000907*sin(2*gamma)-0.002697*cos(3*gamma )+0.00148*sin(3*gamma); 89 90 //CÁLCULO ELEVACIÓN 91 h=asin(sin(latitud)*sin(declinacion_sol)+cos(latitud)*cos( declinacion_sol)*cos(HS)); 92 Serial.print(h); 93 if(h>(pi/2) || h<(-pi/2)){ 94 h=pi-h; 6.3 Algoritmo en espiral 57 95 } 96 //CÁLCULO AZIMUT 97 coseno_az=(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud)* cos(h)); 98 seno_az=-sin(HS)*cos(declinacion_sol)/cos(h); 99 if(coseno_az >= 0 && seno_az>=0){ 100 azimut=acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud) *cos(h)); 101 } 102 if(coseno_az<0 && seno_az>=0){ 103 azimut=acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos(latitud )*cos(h)); 104 105 } 106 if(coseno_az<0 && seno_az<0){ 107 azimut=2*pi-acos(sin(declinacion_sol)-sin(latitud)*sin(h))/(cos( latitud)*cos(h)); 108 109 } 110 if(coseno_az>0 && seno_az<0){ 111 azimut=asin(-sin(HS)*cos(declinacion_sol)/cos(h)); 112 } 113 114 //POSICIONO SISTEMA EN AZIMUT 115 servo1.attach(PINSERVO,MIN,MAX); //Esta función otorga el pin donde se conecta el servo y los valores mímino y máximo del pulso asociados a 0o ¯y 180o ¯. 116 servo1.write(90); 117 t0=millis(); 118 if(azimut>azimut_real){ //Si el azimut que quiero es mayor que el real tendré que girar en sentido de las agujas del reloj 119 servo1.write(89); //El número indica los grados requeridos 120 t1=0; 121 while((t1-t0)<((azimut-azimut_real)/w)*1000){ 122 t1=millis(); 123 } 124 servo1.write(90); 125 } 126 else{//Si el azimut real es mayor que el quiero tendré que girar en sentido contrario a las agujas del reloj 127 servo1.write(91); //El número indica los grados requeridos 128 t1=0; 129 while((t1-t0)<((azimut_real-azimut)/w)*1000){ 130 t1=millis(); 131 } 132 servo1.write(90); 133 134 } 135 136 //POSICIONO SISTEMA EN ELEVACIÓN 137 pinMode(pin_inc,INPUT); 138 servo2.attach(PINSERVO2,MIN,MAX); 139 servo2.write(90); 140 digitalWrite(pin_inc , HIGH); //activamos la resistencia interna PULL UP 141 t3=0; 142 while(digitalRead(pin_inc)==HIGH){ 58 Capítulo 6. Software 143 servo2.write(91); //Colocamos el dispositivo en elevación 0 144 } 145 servo2.write(90); 146 t2=millis(); 147 while((t2-t3)<(h/w)*1000){ 148 servo2.write(89); //Colocamos el dispositivo con la elevación teórica 149 t3=millis(); 150 } 151 servo2.write(90); 152 } 153 154 void loop(){ 155 156 //CONTROL ALGORITMO ESPIRAL 157 //Recogemos los valores en espiral 158 for(int i=1;i<4;i++){ 159 servo1.write(90); 160 servo2.write(90); 161 data(i)=analogRead(sensor1) 162 data(i+1)=analogRead(sensor2) 163 data(i+2)=analogRead(sensor3) 164 data(i+3)=analogRead(sensor4) 165 servo1.write(90); 166 servo2.write(90); 167 } 168 169 for(int i;i<8;i++){ 170 servo1.write(92); 171 servo2.write(90); 172 data(i)=analogRead(sensor1) 173 data(i+1)=analogRead(sensor2) 174 data(i+2)=analogRead(sensor3) 175 data(i+3)=analogRead(sensor4) 176 servo1.write(90); 177 servo2.write(90); 178 } 179 for(int i;i<12;i++){ 180 servo1.write(92); 181 servo2.write(92); 182 data(i)=analogRead(sensor1) 183 data(i+1)=analogRead(sensor2) 184 data(i+2)=analogRead(sensor3) 185 data(i+3)=analogRead(sensor4) 186 servo1.write(90); 187 servo2.write(90); 188 } 189 for(int i;i<12;i++){ 190 servo1.write(90); 191 servo2.write(92); 192 data(i)=analogRead(sensor1) 193 data(i+1)=analogRead(sensor2) 194 data(i+2)=analogRead(sensor3) 195 data(i+3)=analogRead(sensor4) 196 servo1.write(90); 197 servo2.write(90); 198 } 199 for(int i;i<16;i++){ 6.3 Algoritmo en espiral 59 200 servo1.write(90); 201 servo2.write(91); 202 data(i)=analogRead(sensor1) 203 data(i+1)=analogRead(sensor2) 204 data(i+2)=analogRead(sensor3) 205 data(i+3)=analogRead(sensor4) 206 servo1.write(90); 207 servo2.write(90); 208 } 209 for(int i;i<20;i++){ 210 servo1.write(91); 211 servo2.write(91); 212 data(i)=analogRead(sensor1) 213 data(i+1)=analogRead(sensor2) 214 data(i+2)=analogRead(sensor3) 215 data(i+3)=analogRead(sensor4) 216 servo1.write(90); 217 servo2.write(90); 218 } 219 //Algoritmo Bubble Sort de ordenación de un vector de mayor a menor. GUARDA LA POSICIÓN DEL VALOR NO EL VALOR EN SÍ 220 for (k=1;(k<=length) && flag; i++) 221 { 222 flag = 0; 223 for (j=0;j<(length - 1); j++) 224 { 225 if (data[j + 1] > data[j]) 226 { 227 temp = data[j]; 228 data[j] = data[j + 1]; 229 data[j + 1] = temp; 230 posicion=j; 231 flag = 1; 232 } 233 } 234 } 235 //En función de la posición llevamos el mecanismo al lugar donde el valor de entrada es mayor 236 if(posicion<=4){ 237 servo1.write(92); 238 servo2.write(90); 239 } 240 else if(posicion>4 && posicion <8){ 241 servo1.write(92); 242 servo2.write(92); 243 } 244 else if(posicion>8 && posicion <12){ 245 servo1.write(90); 246 servo2.write(92); 247 } 248 else if(posicion>12 && posicion <16){ 249 servo1.write(90); 250 servo2.write(91); 251 } 252 else if(posicion>16 && posicion <20){ 253 servo1.write(91); 254 servo2.write(91); 66 Capítulo 7. Resultados 7.2.2 3 de junio: Algoritmo con 4 valores del sensor El 3 de junio de 2022 se recogieron datos entre las 12:00 y las 13:56 obteniendo lo siguiente: Figura 7.10 Medidas del 3 de junio haciendo uso del algoritmo con 4 valores del sensor. Como se puede observar se observan tres interrupciones por inclemencias meteorológicas: una de 12:05 a 12:07 con una bajada en la recepción del 61%, otra de 12:17 a 12:22 del 73% y la última de 12:53 a 12:58 del 68%. A continuación se representa la gráfica ampliada para ver el máximo y analizar en detalle lo ocurrido en el experimento. Figura 7.11 Zoom en las medidas del 3 de junio haciendo uso del algoritmo con 4 sensores del sensor. Podemos observar que el máximo se alcanza a las 13:04 con un valor de 820 W m2 . Además ocurren dos fenómenos interesantes: a las 12:47 se produce una subida repentina, lo que hace indicar que antes se estaba lejos del máximo y en un iteración sube el valor de voltaje recibido sustancialmente. Por el contrario, a las 13:23 ocurre el suceso contrario, una bajada repentina de la pendiente de la curva, lo que indica la pérdida 7.2 Toma de medidas del 2 al 4 de junio 67 del máximo y la consecuente pérdida de energía registrada. 7.2.3 4 de junio: Algoritmo en espiral El 4 de junio de 2022 se recogieron datos entre las 12:00 y las 13:56 obteniendo lo siguiente: Figura 7.12 Medidas del 4 de junio haciendo uso del algoritmo en espiral. Podemos observar que el máximo se alcanza sobre las 13:08 en un valor de 821 W m2 .Además entre las 12:19 y las 12:24 se repiten aproximadamente los mismos valores, lo que supone que el mecanismo no encontraba máximos a los que moverse. Otro evento a destacar es que a las 13:39 se produce un pico de energía recibida que no se mantiene en las siguientes medidas, lo que supone que el sensor encontró un valor de radiación recibida más cercano al óptimo pero no fue capaz de ubicarlo en movimientos posteriores. 7.2.4 Comparación de los 3 días En este nuevo experimento se soluciona el problema de mayo de no tener los datos en las mismas ventanas de tiempo, por lo que ahora sí es posible comparar las gráficas en su conjunto. Figura 7.13 Comparación de los datos recogidos usando los 3 algoritmos. A tenor de la superposición de gráficas podemos sacar algunas conclusiones. En la subida los algoritmos ortogonal y espiral tienen comportamientos muy parecidos pero tras un evento meteorológico el octogonal pierde la referencia del máximo y baja su eficiencia considerablemente. 68 Capítulo 7. Resultados Se parece constatar en ambos experimentos que el uso de sólo 4 medidas para encontrar el máximo es ineficiente con respecto a los otros dos códigos. 8 Líneas de trabajo en el futuro En marzo de 2022 la irrupción de la guerra de Ucrania ha generado en Europa, dada su dependencia del gas ruso, un incremento importante del precio de la energía.Esta crisis energética ha puesto de manifiesto la importancia de la energía solar para un futuro sostenible. En España el encarecimiento de la luz ha supuesto un incremento en las instalaciones de placas solares domésticas; en Catalunya una cuarta parte de las totales se han instalado en 2022, lo que hace visible la importancia de la eficiencia en este tipo de estructuras. Las líneas futuras que deberían seguir a este trabajo se focalizan en el tema del aumento de la eficiencia tanto del propio algoritmo desarrollado como de la estructura mecánica. Analizando los datos se infiere que cuando, debido a inclemencias meteorológicas, se pierde la referencia del valor anterior la eficienca cae hasta un 12%. Además, las gráficas muestran picos de subida abruptos que no mantienen su valor en el tiempo, lo que hace indicar que el recorrido que sigue la gráfica dista mucho de ser el recorrido óptimo. Estos dos hechos son elementos a mejorar del código ya que, en términos estimativos, pueden suponer mejoras de hasta el 55%. En términos estructurales, el momento que se genera en el servo de elevación no aguanta de manera férrea los componentes electrónicos y la cabeza del mecanismo acaba 2ºbajo la horizontal, lo que supone otro factor en cuanto a pérdida de eficiencia. Hay que tener en cuenta que un avance en la eficiencia en instalaciones de grandes magnitudes tienen un gran impacto en términos económicos y energéticos.Estas tres mejoras incrementarían la eficiencia del modelo planteado en este TFG. 69 Índice de Figuras 1.1 Estructura interna del Sol 2 1.2 Distribución de frecuencias de algunas contribuciones a la radiación total 2 1.3 Espectro solar 2 1.4 Mapa mundial de llegada de radiación solar directa 3 1.5 Mapa mundial de llegada de radiación solar total 3 1.6 Órbita de la Tierra alrededor del Sol 4 1.7 Tipos de radiaciones solares que llegan a la superficie 5 1.8 Central Termosolar de canales parabólicos de «La Africana» promovida por el grupo Magtel 6 1.9 Central Termosolar PS10 de Abengoa en Sanlúcar la Mayor, primera Central de Heliostatos en el mundo. 6 1.10 Central Termosolar con reflectores lineales de Magtel en Aerópolis 6 1.11 Central Termosolar con discos parabólicos en Villarobledo, primera en España de este tipo. 7 2.1 Origen del triángulo astronómico 9 2.2 Triángulo astronómico 10 2.3 Triángulo esférico utilizado para calcular la ascensión recta del sol 11 3.1 Arduino Micro 13 3.2 Brújula digital GY-271 14 3.3 Conexiones del magnetómetro GY-273 (equivalente a las de GY-271) con Arduino Micro 14 3.4 Inclinómetro SW-520D 15 3.5 Caption 15 3.6 NANO-ISSX/c 16 3.7 Ventana de filtración del sensor de radiación 16 3.8 Pines de conexión del sensor de radiación NANO ISSX/c 16 3.9 Servomotor Parallax de giro continuo 17 3.10 Relación entre la velocidad angular del servo y el ancho de banda de la señal 17 3.11 Ancho de banda de la señal para el servo parado, a favor y en contra de las agujas del reloj 18 3.12 Lector de tarjetas MicroSD mediante bus SPI 18 4.1 Sketch del rectángulo de la base del mecanismo 19 4.2 Altura de la base 19 4.3 Sketch del grosor de la base 20 4.4 Altura para hacer la pieza hueca 20 4.5 Sketch del agujero para el eje de giro 21 4.6 Pieza 3D con el agujero para dar salida al eje de giro 21 4.7 Sketch de la primera estructura que da estabilidad al mecanismo 21 4.8 Ancho de la primera estructura que da estabilidad al mecanismo 22 4.9 Sketch de la segunda estructura que da estabilidad al mecanismo 22 4.10 Ancho de la segunda estructura que da estabilidad al mecanismo 22 4.11 Agujeros para atornillar la base 23 4.12 Agujero para el cable que conecta el servo de azimut al Arduino 23 71 72 Índice de Figuras 4.13 Base y cubierta del servo de azimut en perspectiva isométrica 23 4.14 Sketch de la estructura en forma de L 24 4.15 Estrucutura primaria en forma de L 24 4.16 Sketch para el anclaje del servo de elevación en la estructura 24 4.17 Sketch de los agujeros para unir el servo de azimut a la L 25 4.18 L en perspectiva isométrica 25 4.19 Dimensiones de la circunferencia 25 4.20 Grosor del cilindro 26 4.21 Agujeros para la fijación con el servo de elevación 26 4.22 Sketch de la base de la cabeza 26 4.23 Sketch de los agujeros de fijación a la cabeza 27 4.24 Perspectiva isométrica del enganche del servo de elevación con la cabeza 27 4.25 Sketch que determina la forma de la base 27 4.26 Sketch que sigue la guía que sigue el otro sketch 28 4.27 Base primaria de la cabeza inferior 28 4.28 Base primaria cerrada de la cabeza inferior 28 4.29 Sketch para el agujero, en la cabeza inferior, del sensor de radiación solar directa 29 4.30 Base primaria de la cabeza inferior con el agujero para el sensor de radiación solar 29 4.31 Sketch de coronas circulares para el acoplamiento entre la base inferior y la superior 29 4.32 Pieza con las coronas circulares para el acoplamiento entre la base inferior y la base superior 30 4.33 Sketch de los agujeros de conexión. 30 4.34 Cabeza inferior en vista isométrica 30 4.35 Sketch para el "Rib" que propaga la forma 31 4.36 Sketch para el "Rib" que conforma la guía 31 4.37 Pieza primaria que conforma el parasol 31 4.38 Sketch 1 para la eliminación de material 32 4.39 Sketch 2 para la eliminación de material 32 4.40 Parasol 32 4.41 Sketch 1 para crear el techo 33 4.42 Sketch 2 para crear el techo 33 4.43 Pieza con la adhesión del techo 33 4.44 Sketchs para la pared trasera y delantera 34 4.45 Pieza con la creación de las paredes 34 4.46 Sketch para el agujero del sensor de radiación solar directa 34 4.47 Pieza con el agujero para el sensor 35 4.48 Sketch para los agujeros de los servos 35 4.49 Cabeza superior con los agujeros para los servos 35 4.50 Sketch para los salientes del acoplamiento con la cabeza inferior 36 4.51 Cabeza inferior con los salientes para el acoplamiento 36 4.52 Sketch 1 guía del cono 36 4.53 Sketch 2 guía del cono 37 4.54 Cabeza superior en vista isométrica 37 4.55 Ensamblaje en vista isométrica 37 5.1 Estructura antes de iniciar el montaje de los sensores y circuitos 39 5.2 Acoplamiento del inclinómetro a la estuctura 39 5.3 Conexión del inclinómetro 40 5.4 Conexión del magnetómetro 40 5.5 Conexión del sensor de radiación 41 5.6 Conexión de los servos 41 5.7 Disposición de la tarjeta SD 42 5.8 Disposición final de la parte electrónica 42 5.9 Mecanismo listo para la parte experimental (Vista frontal) 42 5.10 Mecanismo listo para la parte experimental (Vista trasera) 43 7.1 Medidas del 5 de mayo haciendo uso del algoritmo octogonal 61 7.2 Zoom de las medidas del 5 de mayo haciendo uso del algoritmo octogonal 62 Índice de Figuras 73 7.3 Medidas del 6 de mayo haciendo uso del algoritmo en espiral 62 7.4 Zoom de las medidas del 6 de mayo haciendo uso del algoritmo en espiral 63 7.5 Medidas del 7 de mayo haciendo uso del algoritmo con 4 valores del sensor 63 7.6 Comparación de los 3 algoritmos 64 7.7 Zoom en la gráfica de comparación de los 3 algoritmos 64 7.8 Medidas del 2 de junio haciendo uso del algoritmo octogonal 65 7.9 Zoom de las medidas del 2 de junio haciendo uso del algoritmo octogonal 65 7.10 Medidas del 3 de junio haciendo uso del algoritmo con 4 valores del sensor 66 7.11 Zoom en las medidas del 3 de junio haciendo uso del algoritmo con 4 sensores del sensor 66 7.12 Medidas del 4 de junio haciendo uso del algoritmo en espiral 67 7.13 Comparación de los datos recogidos usando los 3 algoritmos 67 Bibliografía [1] Méndez Muñiz, Javier María yCuervo García, Rafael ,Energía Solar Térmica. 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[17] Imagen tarjeta micro sd,https://leantec.es/wp-content/uploads/2018/02/p3499499-MODULO- MICRO-SD-LECTOR-TARJETA-ARDUINO.jpg. 75