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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.

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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.

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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/m2, 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.

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• 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.

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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

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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.

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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

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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

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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

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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.

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Hipótesis

El prototipo seguidor solar “Jugando con el Sol” es una alternativa viable para

alimentar de corriente eléctrica diversos gadgets1.

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.

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Diagrama de conexión

Figura 7. Diagrama de conexión del seguidor solar

Evidencias de construcción del prototipo

Figura 8. Construcción del prototipo

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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

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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

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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°

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{

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); servoHorizontal.write(160);

delay(500);

servoVertical.write(20);

servoHorizontal.write(20);

delay(500);

*/}

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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.

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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 gadgets2 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.

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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.

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Referencias

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