jueves, 8 de noviembre de 2018

NORBA STATION 1: captación de energía solar fotovoltaica

Un grupo de alumnos de 4º de ESO están desarrollando un sistema para captar energía solar, almacenarla y posteriormente usarla, el cual debe disponer de un mecanismo que permita orientarse automáticamente para maximizar la obtención de energía. Para la realización del mismo se utilizarán una placa solar policristalina, cuatro fotorresistencias, dos servomotores y una placa arduino de control, así como otros componentes básicos tales como resistencias, cableado, protoboard, pegamento, y materiales reciclados en general. Además, con vistas a probar el rendimiento del sistema, se utilizarán también voltímetros, amperímetros y baterías, entre otros elementos.

Placa solar fotovoltaica
Fotorresistencia
Servomotor
Previa a la creación del sistema, el cual aún no está finalizado, se ha realizado un estudio preliminar de los distintos componentes a utilizar. Para ello se ha empleado, como en otros proyectos, el simulador proporcionado por Tinkercad. Posteriormente se ha dividido el proyecto en tres partes bien diferenciadas:
  1. Sub-sistema motor para el movimiento de la placa solar, el cual consta de dos servomotores que permiten dotar al mismo de dos grados de libertad (giro de 360 grados sobre una superficie horizontal, y giro de unos 170 grados en el plano vertical), y de distintas estructuras conectadas a los mismos capaces de sujetar la placa y moverla de forma eficiente.
    Un primer esbozo de la estructura de este subsistema se ha realizado mediante el software de diseño CAD de Tinkercad.
    Diseño CAD del sistema motor.
    Basándose en ese diseño, posteriormente se ha realizado un prototipo del mismo usando materiales reciclados, el cual aún está en fase de revisión y mejora.
    Alumnos 4º ESO con su primer prototipo del sub-sistema motor.

    Sub-sistema motor del captador de energía solar en detalle.
    Para probar este sub-sistema se ha utilizado una placa Arduino y una serie de interruptores para la realización del movimiento de forma manual, mediante un diseño muy parecido al utilizado para la construcción del primer NORBA JOINT o "Brazo Robot" del proyecto NorbaSky.
    Circuito creado para probar manualmente el movimiento de los dos servomotores.
    Completando el circuito de control manual mediante interruptores y Arduino.

    Sistema motor, aún sin placa solar, moviéndose mediante interruptores y Arduino.

  2. Sistema de localización de luz, el cual consta de dos pares de fotorresistencias colocadas perpendicularmente una de la otra, formando todas ellas un ángulo de 45º con la placa solar. Estos componentes informarán acerca de la luz recibida. Con esta configuración, las cuatro fotorresistencias deberían recibir la misma cantidad de luz cuando la placa solar fotovoltaica se posicionase perpendicularmente a la fuente de luz (situación óptima).
    Para probar este sistema, se ha creado un circuito a partir de las citadas fotoresistencias además de cinco leds formando una cruz. Cuando la luz incida de forma óptima sobre las fotorresistencias (perpendicularmente), solamente el led central se iluminará. En el resto de los casos, se encenderán alguno de los leds restantes, indicando una inclinación mayor de la cuenta en la dirección del led iluminado. Este diseño servirá posteriormente de base para el tratamiento automático del sub-sistema motor.
    Asimismo se ha incluido un interruptor para el calibrado de la luz, a fin de que el sistema pueda aprender cuál es la situación de máxima y mínima luz. Esto mejora el rendimiento global del sistema.
    Sistema de información de inclinación óptima de las cuatro fotorresistencias.

    
    #define HMin A2
    #define HMax A1
    #define VMin A0
    #define VMax A3
    
    #define LedHMin 4
    #define LedHMax 1
    #define LedVMin 5
    #define LedVMax 2
    #define LedCentro 3
    
    #define BotonCalibrado 7
    
    //Determinal los valores máximos y mínimos de luz devueltos
    //por las cuatro fotorresistencias  
    int MinLuz=1024; //Valor inicial que irá disminuyendo en calibrado
    int MaxLuz=0;    //Valor inicial que irá aumentando en calibrado 
     
    //Vectores que permiten acceder a los puertos incluidos en la sección 
    //"#define" de una forma rápida dentro de un bucle "for".
    int foto_res[4]={HMin,HMax,VMin,VMax};
    int led[4]={LedHMin,LedHMax,LedVMin,LedVMax};
    
    
    void setup() {
       int luz;
     
       for (int x=0;x<4;x++){ //Inicia las 4 fotorresistencias y los 4 leds.
           pinMode(foto_res[x], INPUT); 
           pinMode(led[x], OUTPUT); 
           };
     
       pinMode(BotonCalibrado, INPUT);
       pinMode(LedCentro, OUTPUT);
     
       /*
         "while" del proceso de calibrado: busca la luz máxima y mínima.
         Se leen los valores devueltos por las cuatro fotorresistencias 
         una y otra vez, almacenando en MaxLuz el valor máximo encontrado
         y en MinLuz el valor mínimo. Este proceso se repite hasta que se 
         pulse el botón BotonCalibrado.
       */
       while (digitalRead(BotonCalibrado)==LOW) {
           for (int x=0;x<4;x++) { 
               luz=analogRead(foto_res[x]); 
               MinLuz=(luz<MinLuz?luz:MinLuz); 
               MaxLuz=(luz>MaxLuz?luz:MaxLuz);
               }
           }
       }
    
    void loop() {
        int v[4];
     
        //Se leen los valores de las cuatro fotorresistencias y se almacenan
        //en los cuatro valores del vector auxiliar "v" para su posterior
        //procesado.
        for (int x=0;x<4;x++) { 
              v[x]=map(analogRead(foto_res[x]),MinLuz,MaxLuz,0,4); 
              }
     
        digitalWrite(LedHMin, v[0]>v[1]); //Condición verdadera vale HIGH
        digitalWrite(LedHMax, v[1]>v[0]);
        digitalWrite(LedVMin, v[2]>v[3]);
        digitalWrite(LedVMax, v[3]>v[2]);
        digitalWrite(LedCentro, (v[0]==v[1])||(v[2]==v[3]) );
    
        delay(100); 
        }
    
    
    Código de control del Sistema de Información de Orientación Optima.
  3. Sistema de control basado en Arduino, capaz de procesar la información procedente de las cuatro fotorresistencias y actuar en consecuencia sobre los servomotores del sistema motor, con el fin de obtener en todo momento la orientación óptima de la placa solar fotovoltaica para maximizar la producción de energía eléctrica.




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