MEDIDOR AUTÓNOMO DE RADIACIÓN SOLAR Y VELOCIDAD DE

Tercer Congreso Nacional – Segundo Congreso Iberoamericano
Hidrógeno y Fuentes Sustentables de Energía – HYFUSEN 2009
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MEDIDOR AUTÓNOMO DE RADIACIÓN SOLAR Y VELOCIDAD DE VIENTO
Sinderman, J.E.(1)(2),Wainberg, O.I.(1)(3), Pini, O.(1)
(1)
Universidad Tecnológica Nacional, Facultad Regional Buenos Aires, Medrano 951 (C1179AAQ)
Ciudad Autónoma de Buenos Aires, Argentina, [email protected].
(2)
Universidad Nacional de San Martín, Martín de Irigoyen 3100 (1650) Buenos Aires, Argentina,
[email protected]
(3)
Comisión Nacional de Energía Atómica, Centro Atómico Constituyentes, Avenida General Paz
1499 San Martin (B1650KNA) Buenos Aires, [email protected]
RESUMEN
Hace aproximadamente 5 años, surgió la necesidad de construir una red solarimétrica con cobertura
nacional. Al tener presencia en todo el país y ser multidisciplinaria, la U.T.N., resultó ideal para crear
y administrar el sistema. Como respuesta se diseñó un solarímetro económico, fácil de usar y de gran
autonomía, para permitir su colocación en ubicaciones remotas. Se construyó una primera versión.
Luego de superar las pruebas de rigor, fue enviado al observatorio de San Miguel, donde fue
contrastado contra un patrón secundario. Se obtuvo una excelente correlación, certificándose así la
calidad del producto. Posteriormente, 10 equipos fueron armados y distribuidos en distintas facultades
regionales de la universidad. Dado el éxito del proyecto, se decidió diseñar una segunda versión. Se
incorporaron las modificaciones sugeridas por los usuarios y especialistas, y gracias a la experiencia
adquirida y a un mayor apoyo institucional, se tomó la importante decisión de dejar atrás la tecnología
de montaje de circuitos impresos con agujeros pasantes, y utilizar la más moderna de montaje
superficial SMD (Surface Mounted Device). Se añadió la medición de velocidad de viento y se
incorporaron numerosas mejoras, entre ellas: A) El reemplazo de una laptop para la recuperación de la
información adquirida por una pequeña tarjeta SD (Secure Digital) del tipo utilizado masivamente en
cámaras fotográficas y teléfonos celulares. B) Muestreo segundo a segundo, que en contraste con la
versión anterior en la cual se muestreaba cada minuto, permite obtener la integral de irradiación con
mayor precisión. C) En un volumen menor, se pueden medir simultáneamente, hasta 4 canales de
radiación solar, 2 canales de velocidad y dirección de viento, y un canal auxiliar.
Se puede concluir que el importante conocimiento adquirido en conjunto con el apoyo institucional,
permitieron la creación de un equipo único con 100% de know-how nacional.
Palabras Claves: Radiación Solar, Velocidad de viento, Solarímetro.
1. INTRODUCCIÓN
1.1 Motivación
El rápido crecimiento industrial demanda cada
día más energía. Se estima que la provisión de
combustibles fósiles seguirá alimentando las
necesidades energéticas del planeta sólo por unos
50 años más. Las fuentes de mayor
aprovechamiento hidráulico ya han sido
encausadas, quedando sin explotar las fuentes de
menor rentabilidad económica. Las centrales
nucleares actuales, si bien ayudan y ayudarán a
suplir la demanda energética en las próximas
décadas, hacen uso de un recurso no renovable
(uranio) y en su mayoría, solamente aprovechan
aproximadamente el 1% del mineral de uranio.
(U235 0,7% de abundancia) [1] La fusión nuclear,
se encuentra aún en etapa de investigación y
desarrollo, teniendo todavía numerosas barreras
por superar. Las mayores fuentes de energías
renovables son la solar y la eólica. (Los
biocombustibles, si bien renovables, son
sumamente controvertidos, ya que muchos de
ellos son fuentes de alimento, que al ser
utilizados como combustible, dejan de ser
utilizados para su uso primario). El hidrógeno, en
estado puro, no abunda en la tierra. Para
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producirlo se requiere de una fuente de energía
externa, como ser electricidad para la
descomposición por electrólisis del agua o
mediante la transformación de combustibles
fósiles.
Esto hace que en la práctica, el
hidrógeno sea un elemento de almacenamiento
de energía, no una fuente propiamente dicha.
Para poder realizar un uso racional de las
energías solar y eólica, deben efectuarse
numerosos estudios, a lo largo de varios años,
con el fin de obtener suficiente estadística. Sin
lugar a duda, un equipo de medición de radiación
solar y velocidad de viento -de fabricación
nacional, simple de usar, fácil de construir y de
bajo costo- contribuirá sin duda a un mayor
aprovechamiento de recursos renovables.
2. DESARROLLO TEÓRICO
2.1 Elección de componentes
La elección de los componentes
electrónicos es de vital importancia en un buen
diseño. En ocasiones, una decisión que favorece
una prestación resulta contraproducente para
otra. Por ejemplo, el aumento en la capacidad de
procesamiento del microcontrolador, corazón del
solarímetro, permite mayores prestaciones. Por
otro lado, este mismo aumento viene
acompañado de un mayor consumo energético,
lo que reduce la autonomía del equipo.
El avance tecnológico, si bien no
resuelve estos dilemas, ayuda a encontrar la
solución más conveniente. A modo ilustrativo, el
8751H de la firma Intel tiene un consumo del
orden de 1 W a 8 MHz [2], mientras que una
versión más moderna del mismo, el C8051F350
de la firma Silicon Labs, tiene un consumo del
orden de los 30 mW a 25 MHz [3], una
eficiencia de ejecución un orden de magnitud
mayor y numerosas mejoras.
Por ende, debe hacerse uso de la última
tecnología disponible y simultáneamente
balancear las distintas variables, según las
prioridades de diseño.
Para el diseño del solarímetro se tomaron
como parámetros:
A) Adquisición de datos a intervalos de un
segundo o menos, de manera tal de poder
obtener una buena integral de la
radiación solar.
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B) la posibilidad de medir varios canales en
forma simultánea.
Eso permite la
medición de la radiación solar en
distintas partes del espectro o una
medición directa y reflejada.
C) Empleo de un medio de almacenamiento
no volátil, de gran capacidad, y extraíble.
De esta manera se facilita la recolección
de información, ya que no se requiere de
ningún equipo o conexión para recuperar
la información adquirida. La gran
capacidad de almacenamiento, permite
almacenar mayor cantidad de detalles.
D) Reducción del consumo, de manera tal
de poder funcionar durante varios meses
en forma autónoma.
E) Reducción del tamaño, integrando toda
la electrónica en un único gabinete. De
esta forma se simplifica la instalación y
la posibilidad de fallas por mala
conexión.
Se eligió como corazón del sistema el
microcontrolador C8051F350 de la firma
Silicon Labs [4]. Este mirocontrolador está
específicamente diseñado para ser empleado
en sistemas de medición [3]. En un mismo
circuito integrado de 5 x 5 mm o 9 x 9 mm
(dependiendo del encapsulado) se dispone un
conversor analógico-digital (ADC) de 24 bit
y 8 canales interconectado a un amplificador
de ganancia programable, 2 conversores
digital-analógico (DAC) con salida por
corriente, interface SPI (Serial Peripheral
Interface), suficiente memoria RAM y flash
para no requerir de memoria externa y varios
periféricos adicionales. El ADC interno
permite prescindir de un circuito integrado
externo. Los 8 canales son más que
suficientes para esta aplicación.
El
amplificador
incorporado
simplifica
enormemente los requerimientos de los
preamplificadores de los sensores. Los
conversores DAC permiten excitar en forma
directa los sensores de dirección de viento,
sin necesidad de electrónica auxiliar. La
interface SPI resulta ideal para la
interconexión a las tarjetas SD (Secure
Digital).
Para el almacenamiento de los datos
adquiridos se pasó de la tradicional memoria
flash, paralela o serial, soldada al circuito
impreso, a la conocida tarjeta SD,
ampliamente utilizada en cámaras digitales y
teléfonos celulares. Estas tarjetas poseen una
gran capacidad de almacenamiento, pueden
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ser leídas por numerosos dispositivos y son
muy económicas. (Actualmente, una tarjeta
de 2 GB ronda los 35 pesos). Más aún, para
recolectar datos en un equipo remoto, tan
sólo basta con reemplazar la tarjeta llena por
otra vacía, para luego recobrar los datos
almacenados en una PC.
En la amplificación de los piranómetros
resulta de esencial importancia el offset de
los amplificadores operacionales. (Op-Amp)
La señal de los transductores es sumamente
pequeña, del orden de los microvolt, por lo
que
cualquier
corrimiento
en
los
amplificadores,
resulta
sumamente
perjudicial. Tradicionalmente se empleaban
amplificadores por conmutación (ChopperStabilized Op Amp) Estos amplificadores
contienen un circuito interno, que
periódicamente compensa el error en la
salida, en ausencia de señal de entrada. Este
tipo de amplificadores introduce ruido,
debido a la conmutación, y su consumo, si
bien no grande, no es despreciable.
El nuevo OPA2333 de la firma Texas
Instruments, tiene un offset máximo de 10
µV, un consumo del orden de los 100 µW y
contiene 2 amplificadores en un mismo
encapsulado [5].
El MAX 3223 de la firma Texas
Instruments permite utilizar el equipo para la
adquisición de datos en tiempo real mediante
un enlace serie tipo RS232. El bajo consumo
del mismo en conjunto con la función de
autoapagado [6], cuando el enlace es
utilizado, permite prescindir de una fuente de
alimentación externa para la alimentación del
mismo.
El regulador de tensión TPS78001 de la
firma Texas Instruments permite suministrar
hasta 150 mA con un consumo de tan sólo
500 nA y una caída de tensión de 200 mV.
[7] Esto permite extender la vida útil de la
batería y por ende la autonomía del equipo.
3. EXPERIMENTAL
3.1 Funcionamiento del circuito
En la Figura 1 se puede observar un
esquema simplificado del equipo.
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Un RTC (Real Time Clock) proporciona
fecha y hora e interrumpe al microcontrolador
para realizar la adquisición periódica de datos. A
diferencia de otros, el microcontrolador
empleado permite conmutar por software entre el
oscilador interno y externo. [8] Gracias e esto se
puede operar el microcontrolador con un
oscilador externo de 32 KHz (consumo de 11µA)
durante la mayoría del tiempo, para pasar al
oscilador interno de 24.5 MHz (5.8 mA) durante
los breves períodos de adquisición. Con este
esquema, la corriente media resultante es de unas
decenas de µA, dependiendo de la cantidad de
canales y frecuencia de adquisición.
La velocidad de viento se mide mediante
un anemómetro que genera pulsos eléctricos, con
una frecuencia proporcional a la velocidad del
viento. Estos pulsos se adecuan eléctricamente,
para luego ser contados por el microcontrolador.
Vel [m/s] = K * f (1)
Siendo
K
una
constante
de
proporcionalidad suministrada por el fabricante
del sensor y f la frecuencia de los pulsos. La
dirección es suministrada por una veleta
conectada, mecánicamente a un potenciómetro,
con un radio de giro de 360º. Este se alimenta
con una fuente de corriente, suministrando a su
salida una tensión proporcional a la dirección de
viento. Esta tensión ingresa en un ADC, y se
digitaliza para luego ser procesada por el
microcontrolador.
La radiación solar se mide mediante un
piranómetro, que puede ser del tipo termopila,
muy costoso, pero preciso, o de silicio, más
económico pero de menor precisión. Este sensor
genera una débil tensión eléctrica en el rango de
los microvolts. Esta tensión se amplifica por un
amplificador de bajo corrimiento, para luego ser
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digitalizada por
microcontrolador.
el
ADC
dentro
del
De los 8 canales del ADC se utilizan 4
para la medición de radiación solar, 2 para la
dirección de viento, 1 para la medición de una
magnitud auxiliar y 1 para monitorear la batería
interna.
El RTC se programa para interrumpir el
microcontrolador antes de cada adquisición.
Ante una interrupción del RTC, se habilitan las
fuentes auxiliares y se conmuta el oscilador del
microcontrolador. Posteriormente, se adquiere la
información de los sensores requeridos. A estos
se les incorpora la fecha y hora correspondiente y
se almacenan en la tarjeta SD. Finalmente, se
apagan las fuentes auxiliares y se pasa al
oscilador externo, en espera de la siguiente
interrupción.
4. CONCLUSIONES
A un costo moderado, y sin necesidad de
complejas instalaciones, se puede construir una
vasta red de medición de radiación y/o velocidad
y dirección de viento. La actual construcción
permite una fácil recopilación de datos y posee
una importante autonomía, para operar en
ubicaciones distantes.
5. REFERENCIAS
[1] Jean-Louis Basdevant, James Rich, Michel
Spiro, “Fundamentals in Nuclear Physics,
From Nuclear Structure to Cosmology”, Ed
Springer, pp. 312-313.
[2]
MCS-51
8
bit
control-oriented
microcomputers
8751H/8751H-8
Preliminary Intel Corp 270048-004 pp.
7_48
[3] C8051F350/1/2/3 datasheet Rev. 1.1 Silicon
Labs pp. 1.
https://www.silabs.com/products/mcu/mixed[4]
signalmcu/Pages/C8051F35x.aspx
[5] OPA2333 1.8V, microPOWER CMOS
OPERATIONAL AMPLIFIERS Zerø-Drift
Series datasheet, SBOS351C, Texas
Instruments pp. 1.
[6]
MAX3223
3-V
TO
5.5-V
MULTICHANNEL
RS-232
LINE
DRIVER/RECEIVER, SLLS409D, Texas
Instruments pp. 1-2.
[7]
11-136
TPS780 Series, 150mA, Low-Dropout
Regulator, Ultralow-Power, IQ 500nA with
Pin-Selectable, Dual-Level Output Voltage,
SBVS083C, Texas Instruments pp. 1.
[8] C8051F350/1/2/3 datasheet Rev. 1.1 Silicon
Labs pp. 136.