Arduino y Panel Solar

Tecnológico Nacional de México INSTITUTO TECNOLÓGICO DE SALINA CRUZ

MONOGRAFÍA INTERFAZ GRAFICA PARA EL MONITOREO DE VARIABLES EN EL MODULO SOLAR ET-250

PRESENTA: GUTIERREZ SÁNCHEZ ALEXIA OCEJO LUIS CARLOS JESUS

SEMESTRE: VII°

GRUPO: C

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

DOCENTE: M. EN C. SUSANA MÓNICA ROMÁN NÁJERA

SALINA CRUZ, OAXACA A NOVIEMBRE DEL 2015

ÍNDICE

Capítulo I Generalidades ......................................................................................... 2 1.1

EFICIENCIA ESCOLAR ................................................................................ 3

1.2

ENERGIA ...................................................................................................... 4 1.2.1 Energía solar.......................................................................................... 5 1.2.2. Energía solar fotovoltaica .................................................................... 6

1.3 LA CÉLULA SOLAR .......................................................................................... 6 1.3.1

¿Qué es un panel solar y cómo funciona? ................................................. 7

1.4 MODULO SOLAR ET- 250 ................................................................................ 8 1.4.1 Datos técnicos del panel solar ET-250 .............................................. 10 Capítulo II LabVIEW® - Arduino® ......................................................................... 13 13 2.1. INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO (GUI) .................................................... 14 2.2. ¿QUÉ ES LA ADQUISICIÓN DE DATOS? .................................................... 15 2.2.1. ¿Qué es un sensor? ........................................................................... 15 2.2.2. ¿Qué es un dispositivo DAQ? ........................................................... 16 2.3. SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW® ................... 18 2.3.1 Características principales ................................................................. 19 2.3.2. Programa en LabVIEW® .................................................................... 21 2.4. ARDUINO ....................................................................................................... 28 2.5. LABVIEW® +ARDUINO® ............................................................................... 30 2.5.1

Razones para utilizar Arduino®+LabVIEW® ................................. 30

Capítulo III Diseño ................................................................................................. 33 3.1. UBICACIÓN.................................................................................................... 34 3.2. PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES...................... 35 3.2.1 Recopilación de información ............................................................. 36 3.2.2 Análisis del problema ......................................................................... 36 3.2.3 Identificar posibles soluciones. ......................................................... 37 3.2.3 Establecer lo que se utilizara para resolver el problema. ................ 38 3.2.4 Justificar el desarrollo del proyecto. ................................................. 39

3.2.5 Presupuesto......................................................................................... 39 3.3 MONITOREO DE VARIABLES DE UN PANEL SOLAR .................................. 41 3.4 INTERFAZ GRÁFICA ...................................................................................... 43 CONCLUSIONES .................................................................................................. 47 BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................... 48 ANEXOS ............................................................................................................... 50

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ÍNDICE DE FIGURAS 1.1 Electrones excitados al contacto de los rayos de luz ........................................ 6 1.2 Modulo solar ET- 250 ........................................................................................ 9 1.3 Especificaciones del equipo ............................................................................ 10 1.4 Unidad de medición ......................................................................................... 11 2.1 Partes de un sistema DAQ .............................................................................. 14 2.2 Sensor ............................................................................................................. 14 2.3 Dispositivo DAQ .............................................................................................. 15 2.4 Panel frontal y diagrama a bloques ................................................................. 22 2.5 Opciones del panel en LabVIEW® .................................................................. 23 2.6 Paleta de herramientas ................................................................................... 24 2.7 Paleta de controles .......................................................................................... 25 2.8 Paleta de funciones ......................................................................................... 26 2.9 Visualización de datos en el panel frontal ....................................................... 30 2.10 Programacion gráfica en el diagrama a bloques ........................................... 30 3.1 Macro-localización del Tecnológico de Salina Cruz ........................................ 33 3.2 Vista aerea del Tecnológico de Salina Cruz .................................................... 34 3.3 Modulosensor de temperatura LM35D ............................................................ 40 3.4 Modulo Solar analogico de luz ambiental ........................................................ 40 3.5 Modulo sensor de voltaje................................................................................. 41 3.6 Modulo sensor de corriente ............................................................................. 42 3.7 Panel de inicio ................................................................................................. 42 3.8 Panel de amperaje .......................................................................................... 43 3.9 Panel de voltaje ............................................................................................... 43 3.10 Panel de temperatura .................................................................................... 44 3.11 Panel de luminosidad .................................................................................... 44 3.12 Diagrama a bloques de la interfaz ................................................................. 45

INTRODUCCIÓN La interfaz gráfica para el monitoreo de variables en un panel solar, pretende ayudar a los jóvenes de las diferentes ingenierías ofertadas en el Instituto Tecnológico de Salina Cruz en un mejor estudio, aprovechamiento y por supuesto también en la elaboración de proyectos de acuerdo a las materias expuestas en los diferentes semestres. El equipo de medición en módulos solares ET-250 adquirido por la institución no ofrece un monitoreo dinámico y explícito, por lo que se decidió diseñar e implementar una interfaz gráfica que sea versátil y simple para el fácil manejo y entendimiento por los usuarios. “Interfaz gráfica para el monitoreo de variables en el panel solar ET-250” es un proyecto, innovador y entusiasta capaz de hacer las mediciones y lecturas de sensores en conjunto con el procesamiento de señales adquiridas por el circuito ARDUINO® y con la magnífica comunicación con el software LabVIEW®. Gracias a esto podemos obtener de manera gráfica y sencilla datos que pueden ayudar al crecimiento de los conocimientos por el alumnado. La característica principal de esta interfaz es el mejor entendimiento en la recepción de los datos arrojados por los sensores de temperatura, intensidad luminosa, corriente y voltaje instalados en el módulo solar ET-250.

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Capítulo I Generalidades

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1.1 EFICIENCIA ESCOLAR La eficacia y eficiencia son dos atributos básicos de la educación de calidad para todos que han de representar las preocupaciones centrales de la acción pública en el terreno de la educación. La eficiencia se pregunta por el costo con que dichos objetivos son alcanzados. Por lo tanto, es definida con relación al financiamiento destinado a la educación, la responsabilidad en el uso de éste, los modelos de gestión institucional y de uso de los recursos. Compromete un atributo central de la acción pública: que se ejecute honrando los recursos que la sociedad destina para tal fin, por lo que la obligación de ser eficiente toca a la garantía de un derecho ciudadano clave. Desde esta perspectiva, la eficiencia no es un imperativo economicista, sino una obligación derivada del respeto a la condición y derechos ciudadanos de todas las personas. Eficacia implica analizar en qué medida se logran o no garantizar, en términos de metas, los principios de equidad, relevancia y pertinencia de la educación, mientras que la eficiencia se refiere a cómo la acción pública asigna a la educación los recursos necesarios y si los distribuye y utiliza de manera adecuada Existe una importante interacción entre las dimensiones de la eficacia y la eficiencia, ya que los problemas de la primera impactan negativamente sobre la capacidad para asegurar algunas metas básicas. Las dificultades expresadas en los problemas de operación del sistema (referidas al no logro de metas e ineficiencias) se distribuyen de diferente manera entre los diversos grupos poblacionales, reproduciendo patrones de desigualdad, exclusión y marginación social que, en último término, definen una operación inequitativa de los sistemas educativos. Desde esta perspectiva, evaluar la calidad de la educación exige un enfoque global e integral, en el que la valoración de sus diferentes componentes esté interrelacionada y se alimente mutuamente. De esta forma, una evaluación desde este enfoque implica hacer un juicio de valor sobre cómo se desarrolla, y qué resultados genera, el conjunto del sistema y sus componentes; es decir, desde la estructura, organización y financiamiento, el currículo y su desarrollo, el 3

funcionamiento de las escuelas, el desempeño de los docentes y lo que aprenden los estudiantes en el aula y sus consecuencias en el acceso a oportunidades futuras y movilidad social. Debemos de tomar en cuenta que el desarrollo del docente repercute directamente en el aprendizaje de los estudiantes, otro de los factores fundamentales y de gran importancia son los recursos implantados en cada una de las instituciones educativas del país. Toda aquella institución carente de recursos, materiales y herramientas para los alumnos es realmente preocupante ya que de esta manera los alumnos carecen de experiencia práctica para desenvolverse libremente en el entorno laboral.

1.2 ENERGIA La generación, transformación, transporte y uso eficiente de la energía son fases de nuestro manejo de energía. Muchas soluciones innovadoras del área de la eficiencia energética se basan en visiones interdisciplinarias que, en parte, se diferencian claramente de la estructuración clásica de las especialidades implicadas. En las energías renovables, la mayor proporción aprovechada hasta ahora se basa directa o indirectamente en la energía solar. La energía eólica y gran parte de la energía hidráulica, que son el resultado de procesos climáticos generados por el sol, también pertenecen a este grupo. Últimamente, el aprovechamiento directo de la radiación solar absorbida adquiere una importancia cada vez mayor. Además de la generación de calor para la generación de agua caliente, calefacción y aguas industriales, la generación de corriente solar también está alcanzando el éxito económico. Tanto las instalaciones fotovoltaicas como la generación de corriente térmica solar a escala industrial tienen cada vez más importancia.

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La creación de biomasa se puede considerar como el proceso más antiguo de transformación de la energía solar. Otras fuentes primarias de energía renovable están dadas por la energía mareomotriz de la Luna, así como por procesos geotérmicos.

1.2.1 Energía solar La energía solar es la energía producida por el sol y que es convertida a energía útil por el ser humano, ya sea para calentar algo o producir electricidad (como sus principales aplicaciones). Cada año el sol arroja 4 mil veces más energía que la que consumimos, por lo que su potencial es prácticamente ilimitado. La intensidad de energía disponible en un punto determinado de la tierra depende, del día del año, de la hora y de la latitud. Además, la cantidad de energía que puede recogerse depende de la orientación del dispositivo receptor. Actualmente es una de las energías renovables más desarrolladas y usadas en todo el mundo. ¿De qué manera convertimos la energía solar en energía útil para su uso cotidiano? Esta energía renovable se usa principalmente para dos cosas, aunque no son las únicas, primero para calentar cosas como comida o agua, conocida como energía solar térmica, y la segunda para generar electricidad, conocida como energía solar fotovoltaica. Los principales aparatos que se usan en la energía solar térmica son los calentadores de agua y las estufas solares. Para generar la electricidad se usan las células solares, las cuales son el alma de lo que se conoce como paneles solares, las cuales son las encargadas de transformarla energía eléctrica. Sus usos no se limitan a los mencionados aquí, pero estas dos utilidades son las más importantes. Otros usos de la energía solar son: •

Potabilizar agua

•

Estufas Solares 5

•

Secado

•

Evaporación

•

Destilación

•

Refrigeración

Como podrás ver los usos que se le pueden dar son muy amplios, y cada día se están descubriendo nuevas tecnologías para poder aprovecharla mejor.

1.2.2. Energía solar fotovoltaica La Energía solar fotovoltaica a una forma de obtención de energía eléctrica a través de paneles fotovoltaicos. Los paneles, módulos o colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semiconductores tipo diodo que, al recibir radiación solar, se excitan y provocan saltos electrónicos, generando una pequeña diferencia de potencial en sus extremos. El acoplamiento en serie de varios de estos fotodiodos permite la obtención de voltajes mayores en configuraciones muy sencillas y aptas para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. A mayor escala, la corriente eléctrica continua que proporcionan los paneles fotovoltaicos se puede transformar en corriente alterna e inyectar en la red, operación que es muy rentable económicamente pero que precisa todavía de subvenciones para una mayor viabilidad. En entornos aislados, donde se requiere poca potencia eléctrica y el acceso a la red es difícil, como estaciones meteorológicas o repetidores de comunicaciones, se emplean las placas fotovoltaicas como alternativa económicamente viable

1.3 LA CÉLULA SOLAR El componente principal de una instalación fotovoltaica es la célula solar. Una célula solar consta de dos capas adyacentes del semiconductor de silicio. Mediante la dotación de fósforo o boro, en la capa superior se produce un exceso de electrones 6

y en la capa inferior una escasez. Dentro de la célula solar surge, por consiguiente, un campo eléctrico. La capa superior actúa como polo negativo (cátodo). La capa inferior funciona como polo positivo (ánodo). Los electrones son movilizados en la célula a través de la luz (figura No. 1.1). Si se conectan los ánodos y los cátodos entre sí, fluye una corriente eléctrica. Como una célula solar sólo proporciona una tensión muy escasa, se agrupan varias células en un módulo. Si se conectan varios módulos en serie, se suman las tensiones de los módulos individuales.

Figura No. 1.1.- Electrones excitados al contacto de los rayos de luz

1.3.1 ¿Qué es un panel solar y cómo funciona? Paneles Solares son aquellas placas solares o láminas colocadas en forma de láminas sobre la base dura y asegurada con marcos bien sellados o los que dentro de esa caja de vidrio están los tubos delgados de cobre o de vidrio donde los rayos solares caen para transformarse en energía eléctrica o en calor. Los primeros para generar energía eléctrica y usar los electrodomésticos y los segundos para disipar en calor y calentar el agua o para secar el aire del ambiente. El funcionamiento de los paneles solares se basa en el efecto fotovoltaico, que se produce cuando, sobre materiales semiconductores convenientemente tratados, incide la radiación solar produciendo electricidad.

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En el momento en que queda expuesto a la radiación solar, los diferentes contenidos en la luz transmiten su energía a los electrones de los materiales semiconductores que, entonces, pueden romper la barrera de potencial de la unión P-N, y salir así del semiconductor a través de un circuito exterior. Estas células fotovoltaicas se combinan de muy diversas formas para lograr tanto el voltaje como la potencia deseados y de este modo poder conseguir que la energía solar se acabe convirtiendo en energía que poder consumir.

1.4 MODULO SOLAR ET- 250 El equipo ET 250 / "Medición en módulos solares" es parte del área de productos 2E - ENERGY & ENVIRONMENT. Ante el hecho de recursos limitados y crecientes impactos ambientales, esta área persigue un nuevo concepto en la formación técnica: Los aprendices y estudiantes deben adquirir importantes experiencias prácticas del funcionamiento de sistemas técnicos, especialmente desde el punto de vista de sostenibilidad. En esto, 2E se basa en un enfoque global: Las preguntas de la producción de energía (energía renovable natural) no se pueden separar de la problemática del manejo cuidadoso del medio ambiente. Los módulos solares se pueden interconectar para que formen unas instalaciones fotovoltaicas pequeñas con una potencia de unos cuantos kilovatios, pero también para formar centrales de energía solar de muchos megavatios. Los módulos solares fotovoltaicos transforman la luz solar directamente en corriente eléctrica y son, por tanto, un componente ideal para el suministro de energía renovable. Los módulos solares típicos de la práctica fotovoltaica están construidos a partir de varias células solares de silicio conectadas en serie. El banco de ensayos ET-250 figura No. 1.2 contiene dos módulos solares de este tipo. La inclinación de los módulos se puede ajustar. Es posible conectar en paralelo o en serie ambos

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módulos mediante cables. Un reóstato de cursor simula distintas cargas. El reóstato de cursor permite el registro de curvas características de corriente y tensión. Los módulos solares de ET 250 corresponden a un modelo muy extendido en la práctica y cada uno está compuesto por 36 células solares de silicio conectadas en serie. Con este montaje experimental, los dos módulos se pueden estudiar en diferentes conexiones/circuitos bajo condiciones de irradiación cambiantes. Para ello, una unidad de medición indica la intensidad de iluminación, la temperatura del módulo, la tensión y la corriente. Con ayuda del resistor de cursor y de otras resistencias adicionales se pueden registrar curvas características I-U. La unidad de medición separada ofrece indicadores para todas las magnitudes relevantes. Dos resistores de potencia en la unidad de medición sirven para ampliar el rango de medición para mediciones con una iluminancia escasa. Los sensores en el módulo solar registran la iluminancia y la temperatura. Los ensayos con ET 250 se deberían realizar al aire libre, a ser posible, para poder partir de las propiedades físicas de la irradiación solar natural al evaluar los resultados. En caso de que se hagan ensayos de laboratorio, se puede utilizar luz artificial como, p.ej., luz halógena de la fuente de luz de laboratorio HL 313.01. En esto, sin embargo, se tiene que prestar atención a una corrección espectral correspondiente de la medición de referencia al determinar la eficiencia del módulo. Para una iluminancia suficiente, el banco de ensayos debería utilizarse con luz solar o con la fuente de luz artificial opcional HL 313.01. El material didáctico, bien estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por los distintos ensayos. El ET 250 se puede utilizar como generador fotovoltaico para el banco de ensayos.

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Figura No. 1.2.- Modulo solar ET- 250

1.4.1 Datos técnicos del panel solar ET-250 Los módulos solares fotovoltaicos transforman la luz solar directamente en corriente eléctrica y son, por tanto, un componente ideal para el suministro de energía renovable. Los módulos solares típicos de la práctica fotovoltaica están construidos a partir de varias células solares de silicio conectadas en serie. El banco de ensayos ET 250 contiene dos módulos solares de este tipo. La inclinación de los módulos se puede ajustar. Es posible conectar en paralelo o en serie ambos módulos mediante cables. Un reóstato de cursor simula distintas cargas. El reóstato de cursor permite el registro de curvas características de corriente y tensión. 10

La unidad de medición separada ofrece indicadores para todas las magnitudes relevantes. Dos resistores de potencia en la unidad de medición sirven para ampliar el rango de medición para mediciones con una iluminancia escasa. Los sensores en el módulo solar registran la iluminancia y la temperatura. Para una iluminancia suficiente, el banco de ensayos debería utilizarse con luz solar o con la fuente de luz artificial opcional HL 313.01. El material didáctico, bien estructurado, representa los fundamentos y guía paso a paso por los distintos ensayos. El ET 250 se puede utilizar como generador fotovoltaico para el banco de ensayos ET 255Aprovechamiento Fotovoltaico: en Paralelo a la Red o en Isla.

Especificaciones El modulo solar está equipado como se muestra en la figura 1.3.

Figura No. 1.3.- 1 reóstato de cursor, 2 cable de red, 3 juego de cables para conexión en paralelo en serie, 4 cable de medición, 5 unidad de medición, 6 eje basculante, 7 medidor de inclinación, , 8 sensor de iluminancia, 9 sensor de temperatura, 10 módulos solares

Unidad de medición La unidad de medición que se muestra en la figura No.1.4, permite realizar mediciones de corriente, tensión, intensidad de iluminación y temperatura. En los elementos de indicación de la unidad de medición se pueden observar las magnitudes de medida requeridas para los experimentos fotovoltaicos previstos. 11

Figura No. 1.4.- Indicadores: 1 corriente, 2 tensión, 3 iluminancia, 4 temperatura; Conexiones de medición: 5 corriente, 6 masa, 7 tensión, 8 iluminancia temperatura, 9 resistores de potencia

Dimensiones y peso * Largo: 1410 mm * Ancho: 795 mm * Alto: 1490 mm * Peso: aprox. 65kg Datos técnicos Montaje de un módulo - Número de células: 36 - Material de las células: silicio monocristalino - Superficie del módulo: 0,64m² Características típicas del módulo en STC (condiciones normales de ensayo) - Potencia máx.: 85W - Corriente de cortacircuito: aprox. 5,3A - Tensión de circuito abierto: aprox. 22V - Reóstato de cursor: 0...10 ohmios - 2 resistores de potencia: 22 ohmios/50W Rangos de medición - Temperatura: 0…100℃ - Tensión: 0...200V - Corriente: 0...20A - Iluminancia: 0...3kW/m² - Inclinación: 0...90°

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Capítulo II LabVIEW® - Arduino®

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2.1. INTERFAZ GRÁFICA DE USUARIO (GUI) En los sistemas informáticos, la relación humano-computadora se realiza por medio de la interfaz, que se podría definir como mediador. Cuando existen dos sistemas cualesquiera que se deben comunicar entre ellos la interfaz será el mecanismo, el entorno o la herramienta que hará posible dicha comunicación. Podríamos definir básicamente dos tipos de interfaces: •

La interfaz física: un ratón y un teclado que sirven para introducir y manipular datos en nuestro ordenador.

•

La interfaz virtual o interfaz gráfica (GUI) que permite, mediante iconos (cursor + objetos gráficos metafóricos), interactuar con los elementos gráficos convirtiendo al ser humano en usuario de la aplicación.

Estas dos mediaciones son relaciones del tipo entrada de datos (input). Al igual que tenemos una entrada, necesitamos algo que facilite la salida de datos (output), para esto tenemos, por ejemplo, la pantalla de la computadora, donde se visualizan estas interfaces gráficas, o la impresora, donde se imprimen los datos. En definitiva GUI es una interfaz de usuario en la que una persona interactúa con la información digital a través de un entorno gráfico de simulación. Este sistema de interactuación con los datos se denomina WYSIWYG (What you see is what you get, ‘lo que ves es lo que obtienes’), y en él, los objetos, iconos (representación visual) de la interfaz gráfica, se comportan como metáforas de la acción y las tareas que el usuario debe realizar (tirar documento = papelera). Estas relaciones también se denominan interfaces objetos-acción (object-action-interface, OAI).

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2.2. ¿QUÉ ES LA ADQUISICIÓN DE DATOS? La adquisición de datos (DAQ) es el proceso de medir con una PC un fenómeno eléctrico o físico como voltaje, corriente, temperatura, presión o sonido. Un sistema DAQ consiste de sensores, hardware de medidas DAQ y una PC con software programable. Comparados con los sistemas de medidas tradicionales, los sistemas DAQ basados en PC aprovechan la potencia del procesamiento, la productividad, la visualización y las habilidades de conectividad de las PCs estándares en la

Figura No. 2.1.- Partes de un sistema DAQ

industria proporcionando una solución de medidas más potente, flexible y rentable.

2.2.1. ¿Qué es un sensor? La medida de un fenómeno físico, como la temperatura de una habitación, la intensidad de una fuente de luz o la fuerza aplicada a un objeto, comienza con un sensor. Un sensor, también llamado un transductor, convierte un fenómeno físico en una Figura No. 2.2.- Sensor

señal eléctrica que se puede medir. Dependiendo del tipo de sensor, su salida eléctrica puede ser un

voltaje, corriente, resistencia u otro atributo eléctrico que varía con el tiempo. Algunos sensores pueden requerir componentes adicionales y circuitos para producir correctamente una señal que puede ser leída con precisión y con toda seguridad por un dispositivo DAQ.

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Sensores Comunes Sensor

Fenómeno

Termopar, RTD, Termistor

Temperatura

Fotosensor

Luz

Micrófono

Sonido

Galga Extensiométrica, Piezoeléctrico

Transductor

Fuerza y Presión

Potenciómetro, LVDT, Codificador Óptico Posición y Desplazamiento Acelerómetro

Aceleración

Electrodo pH

pH

Tabla No. 1.- Tipos de sensores

2.2.2. ¿Qué es un dispositivo DAQ? El hardware DAQ actúa como la interfaz entre una PC y señales del mundo exterior. Funciona principalmente como un dispositivo que digitaliza señales analógicas entrantes para que una PC pueda interpretarlas. Los tres componentes clave de un dispositivo DAQ usado para medir una señal son el circuito de acondicionamiento de señales, Figura No. 2.3.- Dispositivo DAQ

convertidor analógico-digital (ADC) y un bus de PC. Varios dispositivos DAQ incluyen otras funciones para automatizar sistemas de medidas y procesos. Por ejemplo, los convertidores digitales-analógicos (DAC’s) envían señales analógicas, las líneas de E/S digital reciben y envían señales digitales y los contadores/temporizadores cuentan y generan pulsos digitales.

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Componentes Clave de Medidas para un Dispositivo DAQ 

Acondicionamiento de Señales

Las señales de los sensores o del mundo exterior pueden ser ruidosas o demasiado peligrosas para medirse directamente. El circuito de acondicionamiento de señales manipula una señal de tal forma que es apropiado para entrada a un ADC. Este circuito puede incluir amplificación, atenuación, filtrado y aislamiento. Algunos dispositivos DAQ incluyen acondicionamiento de señales integrado diseñado para medir tipos específicos de sensores. 

Convertidor Analógico Digital (ADC)

Las señales analógicas de los sensores deben ser convertidas en digitales antes de ser manipuladas por el equipo digital como una PC. Un ADC es un chip que proporciona una representación digital de una señal analógica en un instante de tiempo. En la práctica, las señales analógicas varían continuamente con el tiempo y un ADC realiza "muestras" periódicas de la señal a una razón predefinida. Estas muestras son transferidas a una PC a través de un bus, donde la señal original es reconstruida desde las muestras en software. 

Bus de la PC

Los dispositivos DAQ se conectan a una PC a través de una ranura o puerto. El bus de la PC sirve como la interfaz de comunicación entre el dispositivo DAQ y la PC para pasar instrucciones y datos medidos. Los dispositivos DAQ se ofrecen en los buses de PC más comunes, incluyendo USB, PCI, PCI Express y Ethernet. Recientemente, los dispositivos DAQ han llegado a estar disponibles para 802.11 Wi-Fi para comunicación inalámbrica. Hay varios tipos de buses y cada uno de ellos ofrece diferentes ventajas para diferentes tipos de aplicaciones. ¿Cuál es la Función de la PC en un Sistema DAQ? Una PC con software programable controla la operación del dispositivo DAQ y es usada para procesar, visualizar y almacenar datos de medida. Diferentes tipos de PCs son usadas en diferentes tipos de aplicaciones. Una PC de escritorio se puede 17

utilizar en un laboratorio por su poder de procesamiento, una laptop se puede utilizar por su portabilidad o una PC industrial se puede utilizar en una planta de producción por su robustez. ¿Cuáles son los Diferentes Componentes de Software en un Sistema DAQ? Software Controlador El software controlador ofrece al software de aplicación la habilidad de interactuar con un dispositivo DAQ. Simplifica la comunicación con el dispositivo DAQ al abstraer comandos de hardware de bajo nivel y programación a nivel de registro. Generalmente, el software controlador DAQ expone una interfaz de programación de aplicaciones (API) que es usada en un entorno de programación para construir software de aplicación. Software de Aplicación El software de aplicación facilita la interacción entre la PC y el usuario para adquirir, analizar y presentar datos de medidas. Puede ser una aplicación pre-construida con funcionalidad predefinida o un entorno de programación para construir aplicaciones con funcionalidad personalizada. Las aplicaciones personalizadas generalmente son usadas para automatizar múltiples funciones de un dispositivo DAQ, realizar algoritmos de procesamiento de señales y mostrar interfaces de usuario personalizadas.

2.3. SOFTWARE DE DESARROLLO DE SISTEMAS NI LABVIEW® ¿Qué es LabVIEW®? LabVIEW® es su herramienta para resolver más rápido y de manera más eficiente los problemas de hoy en día con la habilidad de evolucionar y resolver con sus retos futuros. LabVIEW® ofrece integración sin precedentes con todo el hardware de medidas, software legado existente e IP al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo.

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Desde el nacimiento de una idea hasta la comercialización de un widget, el enfoque único de NI basado en plataforma para aplicaciones de ingeniería y ciencia, ha impulsado el progreso en una amplia variedad de industrias. En el centro de este enfoque está LabVIEW®, un entorno de desarrollo diseñado específicamente para acelerar la productividad de ingenieros y científicos. Con una sintaxis de programación gráfica que facilita visualizar, crear y codificar sistemas de ingeniería, LabVIEW® es incomparable en ayudar a ingenieros a convertir sus ideas en realidad, reducir tiempos de pruebas y ofrecer análisis de negocio basado en datos recolectados. Desde desarrollar máquinas inteligentes hasta garantizar la calidad de los dispositivos conectados, LabVIEW® ha sido la solución predilecta para crear, implementar y probar el Internet de las Cosas por décadas. (“Software de Desarrollo de Sistemas NI LabVIEW - National Instruments”, s/f) Los programas desarrollados con LabVIEW® se llaman Instrumentos Virtuales, o VIs, y su origen provenía del control de instrumentos, aunque hoy en día se ha expandido ampliamente no sólo al control de todo tipo de electrónica (Instrumentación electrónica) sino también a su programación embebida, comunicaciones, matemáticas, etc. Un lema tradicional de LabVIEW® es: "La potencia está en el Software", que con la aparición de los sistemas multinúcleo se ha hecho aún más potente. Entre sus objetivos están el reducir el tiempo de desarrollo de aplicaciones de todo tipo (no sólo en ámbitos de Pruebas, Control y Diseño) y el permitir la entrada a la informática a profesionales de cualquier otro campo. LabVIEW® consigue combinarse con todo tipo de software y hardware, tanto del propio fabricante -tarjetas de adquisición de datos, PAC, Visión, instrumentos y otro Hardware- como de otros fabricantes. 2.3.1 Características principales Su principal característica es la facilidad de uso, válido para programadores profesionales como para personas con pocos conocimientos en programación pueden hacer programas relativamente complejos, imposibles para ellos de hacer con lenguajes tradicionales. También es muy rápido hacer programas con LabVIEW® y cualquier programador, por experimentado que sea, puede 19

beneficiarse de él. Los programas en LabVIEW® son llamados instrumentos virtuales (VIs) Para los amantes de lo complejo, con LabVIEW® pueden crearse programas de miles de VIs (equivalente a millones de páginas de código texto) para aplicaciones complejas, programas de automatizaciones de decenas de miles de puntos de entradas/salidas, proyectos para combinar nuevos VIs con VIs ya creados, etc. Incluso existen buenas prácticas de programación para optimizar el rendimiento y la calidad de la programación. Presenta facilidades para el manejo de: •

•

Interfaces de comunicaciones: o

Puerto serie

o

Puerto paralelo

o

GPIB

o

PXI

o

VXI

o

TCP/IP, UDP, DataSocket

o

Irda

o

Bluetooth

o

USB

o

OPC...

Capacidad de interactuar con otros lenguajes y aplicaciones: o

DLL: librerías de funciones

o

NET

o

ActiveX

o

Multisim

o

Matlab/Simulink

o

AutoCAD, SolidWorks, etc

•

Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales.

•

Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos.

•

Adquisición y tratamiento de imágenes. 20

•

Control de movimiento (combinado incluso con todo lo anterior).

•

Tiempo Real estrictamente hablando.

•

Programación de FPGAs para control o validación.

•

Sincronización entre dispositivos.

El PC es el instrumento Los sistemas tradicionales de automatización y medida consisten en instrumentos específicos para tareas específicas. Normalmente se está obligado a diseñar el sistema desde cero y ello conlleva poseer un buen conocimiento de programación de ordenadores. Se puede decir que en los sistemas tradicionales el hardware define el sistema. Todo esto cambia usando el concepto de instrumentos basados en ordenador o instrumentos virtuales. De este modo se pueden diseñar sistemas de automatización y medida de bajo costo. La programación gráfica con LabVIEW permite a los no programadores un método fácil para implementar aplicaciones complejas de test, medida y automatización. Con LabVIEW el software define el sistema. 2.3.2. Programa en LabVIEW® Los ficheros generados con LabVIEW se llaman Instrumentos Virtuales, VIs. Cada VI se compone de dos partes principales: el panel frontal (front panel) o interface con el usuario y el diagrama de bloques (block diagram) o código fuente y una tercera parte el icono y conector (icon and connector) Como se ha dicho es una herramienta gráfica de programación, esto significa que los programas no se escriben, sino que se dibujan, facilitando su comprensión. Al tener ya pre-diseñados una gran cantidad de bloques, se le facilita al usuario la creación del proyecto, con lo cual en vez de estar una gran cantidad de tiempo en programar un dispositivo/bloque, se le permite invertir mucho menos tiempo y dedicarse un poco más en la interfaz gráfica y la interacción con el usuario final. Cada VI consta de dos partes diferenciadas:

21

•

Panel Frontal: El Panel Frontal es la interfaz con el usuario, la utilizamos para interactuar con el usuario cuando el programa se está ejecutando. Los usuarios podrán observar los datos del programa actualizados en tiempo real (como van fluyendo los datos, un ejemplo sería una calculadora, donde tú le pones las entradas, y te pone el resultado en la salida). En esta interfaz se definen los controles (los usamos como entradas, pueden ser botones, marcadores etc...) e indicadores (los usamos como salidas, pueden ser gráficas...).

•

Diagrama de Bloques: es el programa propiamente dicho, donde se define su funcionalidad, aquí se colocan íconos que realizan una determinada función y se interconectan (el código que controla el programa --. Suele haber una tercera parte icono/conector que son los medios utilizados para conectar un VI con otros VIs.--

En el panel frontal, encontraremos todo tipos de controles o indicadores, donde cada uno de estos elementos tiene asignado en el diagrama de bloques una terminal, es decir el usuario podrá diseñar un proyecto en el panel frontal con controles e indicadores, donde estos elementos serán las entradas y salidas que interactuarán con la terminal del VI. Podemos observar en el diagrama de bloques, todos los valores de los controles e indicadores, como van fluyendo entre ellos cuando se está ejecutando un programa VI.

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a)

b) Figura No. 2.4.- a) Panel frontal, b) Diagrama a bloques

SubVIs: Reutilización de código de bloques de programa y construcción de jerarquías Normalmente, al diseñar una aplicación LabVIEW®, se comienza desde el VI más general definiendo las entradas y salidas de la aplicación. Después se crean subVIs que realizan tereas más sencillas dentro del VI general. Este método de diseño es una de las ventajas de LabVIEW®. Se pueden diseñar fácilmente aplicaciones complejas utilizando una estructura jerárquica y usando elementos comunes varias veces dentro de la aplicación. El uso de subVIs permite realizar aplicaciones fáciles de comprender, depurar y mantener. El entorno LabVIEW Los elementos básicos en el entorno LabVIEW son los menús (en la parte superior de las ventanas del panel frontal y diagrama de bloques) la barra de herramientas y las paletas flotantes que se pueden colocar en cualquier parte de la pantalla.

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Figura No. 2.5- Opciones en el panel del software LabVIEW

En la barra de menús tenemos las siguientes opciones: 

Archivo: Las opciones de este menú son para realizar las operaciones estándar con archivos como Abrir, Guardar, Imprimir, Salir...



Editar: Operaciones de edición en el VI, como Cortar, Copiar, Pegar, Búsqueda...



Funciones: Control de la ejecución del archivo activo, como Ejecutar, Parar, Cambiar a Modo de Ejecución...



Herramientas: Varias utilidades como Guía de Soluciones DAQ, Historial del VI...



Ver: Menú para ver diversos aspectos del VI actual, como archivos que llaman al VI, los subVIs que utiliza este VI, Puntos de Ruptura...



Window: Acceso y personalización de diferentes vistas del VI, como Ver Diagrama, Ver Lista de Errores, y opciones para las paletas y ventanas



Ayuda: Acceso a varios tipos de ayuda como Ayuda LV, ejemplos de VIs y enlaces a los recursos de ayuda de National Intruments en internet.

La barra de herramientas consta de los siguientes botones (ver la figura 4): 

Leer el programa: Ejecución del VI. 24



Ciclar el programa: Ejecución continuada del VI.



Stop: Parada en mitad de la ejecución del VI.



Pausa: Parada momentánea en la ejecución del VI.



Menú de texto: Menú desplegable para controlar las fuentes del VI.



Alinear

objetos:

Menú

desplegable

para

alinear

componentes

seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques. 

Distribuir objetos: Menú desplegable para distribuir componentes seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques.



Reordenar los objetos: Menú desplegable para reordenar componentes seleccionados en el panel frontal o diagrama de bloques.

Paleta de Herramientas (Tools Palette): La paleta de herramientas está disponible tanto en el panel de control como en el diagrama de bloques para modificar sus contenidos. Se llama herramienta a un modo especial de operación del puntero del ratón. El cursor toma el aspecto del icono de la herramienta seleccionada en la paleta. Se utilizan las herramientas para operar y modificar los contenidos del panel de control y del diagrama de bloques. Figura No. 2.6.- Paleta de herramientas

Al habilitarse la selección automática de herramienta, cuando se mueve el cursor sobre los diferentes objetos en el panel

frontal o diagrama de bloques, LabVIEW selecciona automáticamente la herramienta correspondiente de la paleta. Cada icono de la paleta cambia el comportamiento del cursor en LabVIEW, con lo que se puede posicionar, operar y editar las diferentes tareas de los VIs.

Paleta de Controles (Controls Palette): Para generar el panel frontal se colocan controles e indicadores de la paleta de controles. Cada icono representa una subpaleta, la cual contiene controles para 25

colocar en el panel frontal. Un control es un objeto que utiliza el usuario para interactuar con el VI, introduciendo datos o controlando el proceso. Unos ejemplos sencillos de controles son los botones, controles deslizantes, diales, cuadros de texto... Un indicador es un objeto del panel frontal que muestra datos al usuario. Se pueden citar como ejemplos: gráficas, termómetros, medidores analógicos y digitales... Cuando se coloca un control o indicador en el panel frontal, automáticamente aparece un terminal en el diagrama de bloques.

Figura No. 2.7.- Paleta de controles

Paleta de Funciones (Functions Palette): Para construir el diagrama de bloques se usan los terminales generados en el panel de control por los controles e indicadores, y los VIs, funciones y estructuras de la 26

paleta de funciones. Cada icono de la paleta representa una subpaleta, la cual contiene VIs y funciones para colocar en el diagrama de bloques. Las estructuras, VIs y funciones (llamados en conjunto nodos) de la paleta de funciones proporcionan la funcionalidad al VI. Cuando se añaden nodos a un diagrama de bloques, se pueden conectar entre si y a los terminales generados por los controles e indicadores del panel de control

mediante

la

herramienta

de

conexión (Wiring Tool) de la paleta de herramientas. Al final, un diagrama de bloques completo se asemeja a un diagrama de flujo.

Figura No. 2.8.- Paleta de funciones

Flujo de datos. En la programación tradicional basada en texto, la ejecución o flujo de programa se realiza de arriba abajo, es decir se ejecuta línea a línea. LabVIEW se basa en la programación gráfica, no es necesario tener un gran conocimiento de técnicas o lenguajes de programación para crear un instrumento virtual. En lugar de la ejecución de arriba abajo, LabVIEW opera bajo el concepto 27

de flujo de datos. Al ser una programación gráfica, el aspecto del diagrama de bloques es como el de un diagrama de flujo. Cada nodo del programa que ejecuta un subVI o una función determinada, no se ejecuta hasta que en sus entradas estén presentes los datos necesarios, de esta manera, a la salida no aparecerá el resultado hasta que se haya ejecutado el nodo. Los nodos están conectados entre sí mediante “cables”, así que el flujo de ejecución sigue el flujo de los datos de un nodo a otro.

2.4. ARDUINO Arduino es una plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source) basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Está pensado para artistas, diseñadores, como hobby y para cualquiera interesado en crear objetos o entornos interactivos. Arduino puede sentir el entorno mediante la recepción de entradas desde una variedad de sensores y puede afectar a su alrededor mediante el control de luces, motores y otros artefactos. El microcontrolador de la placa se programa usando el Arduino Programming Language(basado en Wiring) y el Arduino Development Environment(basado en Processing). Los proyectos de Arduino pueden ser autonomos o se pueden comunicar con software en ejecución en un ordenador (por ejemplo con Flash, Processing, MaxMSP, etc.). Las placas se pueden ensamblar a mano

o

encargarlas

preensambladas;

el

software

se

puede descargar

gratuitamente. Los diseños de referencia del hardware (archivos CAD) están disponibles bajo licencia open-source, por lo que eres libre de adaptarlas a tus necesidades.

¿Por qué Arduino? Hay muchos otros microcontroladores y plataformas microcontroladoras disponibles para computación física. Parallax Basic Stamp, Netmedia’s BX-24, Phidgets, MIT’s Handyboard, y muchas otras ofertas de funcionalidad similar. Todas estas herramientas

toman

los

desordenados

detalles de

la

programación

de 28

microcontrolador y la encierran en un paquete fácil de usar. Arduino también simplifica el proceso de trabajo con microcontroladores, pero ofrece algunas ventajas para profesores, estudiantes y aficionados interesados sobre otros sistemas: 

Barato: Las placas Arduino son relativamente baratas comparadas con otras plataformas microcontroladoras. La versión menos cara del modulo Arduino puede ser ensamblada a mano, e incluso los módulos de Arduino preensamblados cuestan menos de 50$.



Multiplataforma: El software de Arduino se ejecuta en sistemas operativos Windows, Macintosh OSX y GNU/Linux. La mayoría de los sistemas microcontroladores están limitados a Windows.



Entorno de programación simple y claro: El entorno de programación de Arduino es fácil de usar para principiantes, pero sucientemente flexible para que usuarios avanzados puedan aprovecharlo también. Para profesores, está convenientemente basado en el entorno de programación Processing, de manera que estudiantes aprendiendo a programar en ese entorno estarán familiarizados con el aspecto y la imagen de Arduino.



Código abierto y software extensible: El software Arduino está publicado como herramientas de código abierto, disponible para extensión por programadores experimentados. El lenguaje puede ser expandido mediante librerias C++, y la gente que quiera entender los detalles técnicos pueden hacer el salto desde Arduino a la programación en lenguaje AVR C en el cual está basado. De forma similar, puedes añadir código AVR-C directamente en tus programas Arduino si quieres.



Código abierto y hardware extensible: El Arduino está basado en microcontroladores ATMEGA8 y ATMEGA168 de Atmel. Los planos para los módulos están publicados bajo licencia Creative Commons, por lo que diseñadores experimentados de circuitos pueden hacer su propia versión del módulo,

extendiéndolo

y

mejorándolo.

Incluso

usuarios

relativamente inexpertos pueden construir la versión de la placa del módulo para entender cómo funciona y ahorrar dinero. 29

2.5. LABVIEW® +ARDUINO® La interfaz de LabVIEW para Arduino (LIFA) Toolkit es una herramienta gratuita que se puede descargar desde el servidor de NI (National Instruments) y que permite a los usuarios de Arduino adquirir datos del microcontrolador Arduino y procesarlos en el entorno de programación gráfica de LabVIEW. Para utilizar la aplicación LIFA no es necesario disponer de una versión comercial de LabVIEW basta con adquirir el software LabVIEW Student Edition que se distribuye por destinos medios a un precio muy asequible. La participación de una empresa como NI National Instruments en este proyecto de desarrollo de aplicaciones Software para Arduino pone de manifiesto el gran interés de la herramienta. No solo se ha sumado esta empresa al proyecto sino también Google con sus aplicaciones escritas en lenguaje Android, Telefónica con el desarrollo de una tarjeta para programar desde telefonía móvil, y otras compañías. 2.5.1 Razones para utilizar Arduino®+LabVIEW® El microcontrolador Arduino es una plataforma de bajo costo de electrónica de prototipos. Con la interfaz de LabVIEW para Arduino LIFA se puede aprovechar la potencia del entorno de programación gráfica de LabVIEW para interactuar con Arduino en una nueva dimensión. 

Interface Gráfica de Usuario (Graphical User Interface GUI)

Visualizar los datos Mostrar datos de los sensores en el monitor del ordenador mediante los paneles frontales de LabVIEW. Personalización de la interfaz de usuario Permite dar al proyecto un toque profesional con los controles del panel frontal de LabVIEW y los indicadores.

30

Figura No. 9.- Visualización de datos en el panel frontal



Programación Grafica

Arrastrar y soltar En lugar de tratar de recordar un nombre de función, se encuentra en la paleta y colóquelo en su diagrama de bloques. Documentación simple Pase el ratón sobre cualquier VI o función con el ratón y ver al instante la documentación con ayuda contextual.

Figura No. 2.10.-Programación grafica en el diagrama a bloques



Utilización de librerías

Conexión con librerías. 850 bibliotecas integradas Aprovechar cientos de bibliotecas integradas de procesamiento de señales, matemáticas y análisis. Bibliotecas Conectividad Interfaz con los servicios web, bases de datos, archivos ejecutables y más con funcionalidad integrada en el núcleo de LabVIEW. 31

¿Qué es la interfaz de LabVIEW para Arduino? La interfaz de LabVIEW para Arduino (LIFA) Toolkit Free Toolkit es un conjunto de herramientas gratuitas que permiten a los desarrolladores adquirir datos desde el microcontrolador Arduino y procesarlo en el entorno de programación gráfica de LabVIEW. ¿Qué versiones del entorno LabVIEW permiten la conexión con Arduino? La interfaz de LabVIEW para Arduino es actualmente compatible con cualquier versión de Windows o Mac OS que soporta LabVIEW 2009 o posterior. El kit de herramientas también funcionan en cualquier versión de Linux que soporta LabVIEW 2009 o posterior, sin embargo actualmente no existe un instalador (JKI VI Package Manager) para Linux. JKI está trabajando actualmente en VIPM 2010 para Linux, que estará disponible aquí cuando haya terminado. ¿Qué hardware es necesario para utilizar la interfaz de LabVIEW para Arduino? El único hardware que se necesita es una tarjeta Arduino, cable USB y un ordenador con LabVIEW y la interfaz de LabVIEW para Arduino. La interfaz de LabVIEW para Arduino fue desarrollado y probado usando Arduino UNO y Arduino MEGA 2560.

32

Capítulo III Diseño

33

3.1. UBICACIÓN El modulo solar fotovoltaico ET 250 se encuentra en el laboratorio de mecánica del Tecnológico. El Instituto Tecnológico de Salina Cruz se encuentra en el estado de Oaxaca en la región del Istmo de Tehuantepec, localizado en Carretera a San Antonio Monterrey, KM. 1.7 Colonia Granadillo C.P. 70701 en Salina Cruz. En la figura No. 3.1 se muestra la macro-localización del tecnológico, es decir una vista aérea, tomando como referencia la carretera Juchitán de Zaragoza-Salina Cruz.

Figura No. 3.1.- Macro-localización del Instituto Tecnológico de Salina Cruz

El Tecnológico consta de 5 edificios como se muestra en la imagen 3.2 los cuales dos de ellos son laboratorios de práctica para las diferentes especialidades ofertadas en el ámbito de ingeniería. En el laboratorio orientado al sureste del tecnológico, destinado para equipos de prueba, está equipado por dos importantes equipos generadores de energía eléctrica con el uso de energías renovables, estos equipos son una planta de ensayos ET-220 cuenta con una central eólica ET 220.01 consta de una sala de máquinas, denominada góndola, montada sobre un poste orientable con una base 34

estable y soportes y un banco de ensayos para el estudio de celdas solares ET 250, que contiene dos módulos solares con una unidad de luz artificial. Con la ayuda de esta fuente de luz es posible crear condiciones de luz constantes en el laboratorio, lo cual facilita la comparación de los distintos ensayos.

Figura 3.2.- Vista aérea del Tecnológico de Salina Cruz

La interfaz gráfica para el monitoreo de variables en el panel solar ET-250 está diseñada para adaptarse a las necesidades del laboratorio, y estará disponible para que los alumnos del tecnológico tengan un fácil acceso y un mejor entendimiento del funcionamiento de dicho panel. Con ayuda de esta nueva herramienta de trabajo será más fácil el aprendizaje, por lo que se espera que su implementación sea de gran éxito.

3.2. PROCEDIMIENTO Y DESCRIPCIÓN DE LAS ACTIVIDADES Para poder conocer la naturaleza del fenómeno y el objeto que se estudió, fue necesario comprender su esencia. Se tuvo que analizar cada una de las variables independientemente, para comprender el comportamiento, específicamente la corriente, tensión, luminosidad y temperatura. Para esto empleamos el método 35

analítico que consiste en la desmembración de un todo, descomponiéndolo en sus partes o elementos para observar las causas, la naturaleza y los efectos. Nos permitió conocer más del objeto de estudio, con lo cual se pudo: explicar, hacer analogías, comprender mejor su comportamiento y establecer nuevas teorías. El procedimiento para llevarlo a cabo se dividió en cuatro etapas, que tuvo por objetivo principal Desarrollar una interfaz gráfica de usuario utilizando LabVIEW® y ARDUINO® para el monitoreo de variables. Es decir poder visualizar a distancia mediante una computadora, el comportamiento de las variables que caracterizan ha dicho panel solar. La primera etapa fue él estudio de los antecedentes y el análisis de la problemática. En esta parte se estudiaron los aspectos más generales de los paneles solares. 3.2.1 Recopilación de información Consistió en acudir a diversos medios y lugares informativos como archivos, bibliotecas, institutos de investigación, Internet, etcétera. Para ello es importante tener presentes las diversas fuentes que nos pueden ser útiles en la tarea de recabar información para nuestra investigación. Las fuentes de información más utilizadas fueron las siguientes: 

Libros



Monografías



Revistas especializadas



Fichas técnicas



Internet

Con esta recopilación se obtuvo el punto de vista de la problemática. 3.2.2 Análisis del problema Una vez que se identificado y definido el problema, se procedió a identifica la(s) causa(s) principal(es) del mismo. En esta fase el objetivo fue analizar el problema y dividirlo en partes separadas, examinando cómo es que se relacionan cada una 36

de ellas. Es indispensable comprender el contexto del problema y como unas partes afectan a otras. Con este análisis se tuvieron los inicios para las soluciones potenciales y elaboración de planes de acción. El análisis del problema se realiza a través del siguiente procedimiento: a) Confirmación de que el problema existe realmente. b) Presentación de los datos c) Identificación de causas potenciales 3.2.3 Identificar posibles soluciones. Una vez que se tuvo una mejor comprensión de los problemas, es más fácil identificar posibles soluciones. Aquí el objetivo fue presentar ideas, las cuales facilitaron las organizaciones de los problemas, sus causas y el diseño de soluciones. Se obtuvo una información clave que se identificó con una posible solución que a continuación se menciona: “National Instruments, está ayudando a las empresas de ingeniería y energía eléctrica-electrónica a resolver sus retos más complejos de generación y monitoreo de energía para crear una red eléctrica verdaderamente inteligente. Mediante el uso de sistemas modulares y flexibles con procesamiento avanzado, NI está comprometido con proveer soluciones diseñadas para reducir las complejidades de control, monitoreo y pruebas asociadas a las aplicaciones de energía, para impulsar un incremento en la productividad y un ahorro significativo en tiempo y costos”. “ARDUINO® ya tiene conexión con LabVIEW® lo cual le confiere una gran potencialidad dado que estamos hablando de una herramienta de gran capacidad y muy extendida tanto en el mundo académico con en el industrial y de laboratorio. Esta forma de trabajo, por tratarse de LabVIEW®, es interesante para usarla en el prototipo de aplicaciones de instrumentación en as que las tarjeta ARDUINO® juega

37

el papel de un sencillo y versátil equipo de adquisición de datos a un costo muy bajo”. Este fragmento de información junto con el resto, debidamente organizada y analizada, conducirá al diseño de soluciones, expresada en forma de proyecto. 3.2.3 Establecer lo que se utilizara para resolver el problema. En base a los problemas y soluciones optamos por usar ARDUINO® y LabVIEW®, esta tecnología y software de vanguardia ofrecen una plataforma completa de herramientas para solucionar estos retos, al ofrecer soluciones personalizadas para probar, monitorear y controlar las fuentes de generación de energía Como un dato adicional a la solución de este problema se concluye que los ingenieros y científicos en todo el mundo están utilizando la plataforma de diseño gráfico de sistemas de National Instruments para producir un impacto positivo en el ecosistema global. Muchos de los problemas más cruciales de hoy en día se están tratando a través de aplicaciones de ingeniería verde, impulsadas por productos de NI, desde el desarrollo de sistemas más eficientes en cuanto a energía hasta una mejor monitorización del medio ambiente y sistemas ecológicamente más limpios. La segunda etapa consta de la recopilación y estudio de la información acerca de los paneles solares SOLAREX®, módulo de sensores de temperatura, luminosidad, de tensión y corriente eléctrica, plataforma ARDUINO® y el software LabVIEW®. Aquí se obtuvieron las primeras herramientas para posteriores consultas en cierto momento que se requirió. Se conoció por primera vez el software LabVIEW® versión 13.0 de manera teórica, analizando cada uno de los componentes, como sus herramientas y controles, así como las conexiones en el diagrama de bloques y los indicadores en el panel frontal. A su vez de que existen las herramientas que se nos proporcionan controlar nuestro ARDUINO® desde el monitor de una PC con la interfaz gráfica realizada en LabVIEW®

38

3.2.4 Justificar el desarrollo del proyecto. El propósito fundamental fue desarrollar una aplicación grafica mediante el software LabVIEW®, su función fue obtener y monitorear información en tiempo real de variables como voltaje, temperatura, intensidad luminosa, potencia e intensidad. Nos dedicamos en LabVIEW® por que impulsa el progreso de grandes industrias con una gama de herramientas disponibles para desarrollar aplicaciones que mejoran la calidad y productividad a ingenieros y científicos. Por otro lado el proyecto es beneficioso por los usos o la generación de energía limpia por efectos de las celdas solares que funcionan mediante el efecto fotovoltaico. Un propósito fuera de los objetivos pero importante es enseñar de forma práctica a los alumnos, todos los aspectos esenciales relevantes del funcionamiento y como es que todas esas variables influyen en la transformación de la energía solar a eléctrica de un módulo fotovoltaico. Hoy en día esta transformación de energía solar a energía eléctrica, que se le denomina energías limpias, va tomando más importancia. 3.2.5 Presupuesto En la siguiente tabla se muestran los materiales que se utilizaron para la creación y el ensamble de la interfaz gráfica en el panel solar ET-250, esta tabla consiste en presentar las cantidades y los costos del material así como las herramientas y también especifica las hora humano para realizar este trabajo.

PRESUPUESTO DEL PROYECTO CONCEPTO A. Ingresos Personales  Tarifa horaria B. Gastos Personales  Transporte  Alimentos C. Equipamiento

CANTIDAD

PRECIO UNITARIO

COSTO (M.N.)

160 hrs.

20

$3,200

20 6

5 50

$100 $300

39

 

Laptop Multímetro Digital FLUKE  Software NI LabVIEW® D. Materiales  Placa ARDUINO®  Cable USB A/B  Sensor de Temperatura DS18B20  Sensor Fotoresistivo De Intensidad Luminosa  Sensor De Voltaje DC 5:1  Sensor De Corriente Efecto Hall Acs712  Modulo Fotovoltaico SOLAREX SX-55U  Protoboard  Conectores para sensores  Soldadura y pasta E. Herramientas  Pinza de corte y punta  Desarmador de cruz  Desarmado plano  Cúter  Cautín  Cinta de aislar F. Papelería e insumos  Impresiones  Copias  Cinta masking tape  Marcado permanente  Internet

1 1

$13,990 $6,122 $83,590

1 1 1

$430 $60 $200

1

$200

1

$200

1

$200

1

$5000

1 10

12

$100 $120

1

$150

1

$84

1 1 1 1 1

$33 $43 $38 $379 $50

1 1

$60 $20 $35 $45 $70

40

3.3 MONITOREO DE VARIABLES DE UN PANEL SOLAR En esta interfaz se realiza el monitoreo de variables físicas mediante la captura de los datos provenientes del panel solar y de los sensores que se hace a través de una tarjeta de desarrollo ARDUINO UNO® y del software NI LabVIEW ®, quienes son los encargados de leer los datos y mostrarlos en el ordenador. Además se puede ver el análisis de esta en tiempo real de acuerdo con el clima de la región, con lo cual se visualiza cómo se comporta la generación de energía con respecto a los cambios de clima a lo largo del día. Monitoreo de variables físicas. La primera etapa consiste de varios sensores para el monitoreo de las variables tales como: Luminosidad, Temperatura, Voltaje, Corriente Eléctrica y Potencia Eléctrica. Las señales provenientes de los sensores son voltajes de corriente directa que varían de 0 a 5 V. Monitoreo de Temperatura. Para realizar el monitoreo de la temperatura, se usó el sensor denominado LM35, el cual se muestra en la figura 1, cuyo rango de operación es de -55ºC hasta +150ºC, con calibración directa para grados Celsius, una respuesta de factor lineal de +10.0mV/ ºC y opera con una alimentación desde 4V hasta 30V.

Figura No. 3.3.- Módulo Sensor de Temperatura LM35D -

Monitoreo de Luminosidad. Para realizar la medición de la luminosidad, se usó el sensor DFR0026 Analog Ambient Light Sensor (Figura No. 3.4), este detecta la densidad de la luz y refleja la señal en tensión analógica, su rango de iluminación va de 1LUX hasta 6000 LUX, opera de 3.3V a 5 V. 41

Figura No. 3.4.-. Módulo Sensor Análogo de Luz Ambiental

Monitoreo de Voltaje Generado. Para obtener el voltaje que se genera, se utilizó el sensor que es capaz de medir voltaje basándose en el principio de diseño de divisor de tensión resistivo (Figura No. 3.5). El voltaje de medición no es mayor a 5 veces el voltaje de entrada, para 5V = 25 V, para 3.3 V /16.5 V. Rango de entrada de voltaje va de 0V a 25V, con un rango de detección de 0.02445v a 25v y una resolución analógica de tensión de 0.00489V.

Figura No 1.5.-. Módulo Sensor de Voltaje

Monitoreo de Corriente Eléctrica. Para el monitoreo de la corriente, se utilizó el módulo basado en el circuito integrado ACS712 de Allegro MicroSystems (Figura No. 3.4), el cual permite medir la cantidad de corriente que fluye a través de un circuito de corriente alterna (AC) o corriente directa (DC). El método de sensado es a través de un sensor de efecto hall que provee un voltaje de salida proporcional a la corriente que fluye en el circuito. Este soporta una medición de hasta 5 A con una sensibilidad de 185mV/A.

42

Figura No. 3.6.-. Módulo Sensor de Corriente

3.4 INTERFAZ GRÁFICA El programa para el monitoreo de variables está diseñado en el software de LabVIEW® quien a través de un panel frontal principal o de inicio, podemos visualizar directamente las distintas variables. La interfaz cuenta con subpaneles en forma de pestañas donde se puede observar con más detalle el comportamiento de cada variable en intervalos de tiempo mediante gráficas. A continuación se muestra la interfaz.

Figuran No. 3.7. Panel de Inicio

43

Figura No. 3.8.- Panel de Amperaje

Figura No. 3.9.- Panel de Voltaje

44

Figura No.3.10. Panel de Temperatura

Figura No. 3.11. Panel de Luminosidad

45

La Figura No. 3.12 muestra el diagrama de bloques de la interfaz que corresponde al código fuente de dicho programa. Por cuestiones de dificultad a la hora de leer las entradas analógicas se optó por implementar dos tarjetas ARDUINO®.

Figura No. 3.12.- Diagrama a bloques de la interfaz

1. Inicializa la conexión con el ARDUINO® con la velocidad de transmisión por defecto de 115200 baudios. 2. Lee los valores analógicos de cada sensor con sus respectivos PIN de entrada analógica. 3. Muestra los valores de las variables en sus respectivos indicadores. 4. Cierra el puerto. 5. Tratamiento de errores. 6. Generador de intervalos para la toma de muestras.

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CONCLUSIONES La interfaz gráfica de usuario implementada en el módulo solar fotovoltaico ET 250 nos permite una mejor manejo en las variables también nos permite observar y deducir cuales son las condiciones óptimas del manejo. La interfaz gráfica ofrece versatilidad para los jóvenes de las diferentes ingenierías y así una mejor utilización de los equipos con los que cuenta el Instituto Tecnológico de Salina Cruz. Los alumnos del instituto tendrán un mejor entendimiento en el funcionamiento de este sistema siendo más fácil la implementación de nuevos sistemas o de nuevas tecnologías para el desarrollo tecnológico y una mejor capacitación en los alumnos y porque no también en los profesores de este centro educativo. El manejo de las variables y el entendimiento del entorno visual de LabVIEW® ayudaran a futuras correcciones en el sistema y de ser posible la implementación de nuevos sistemas de control en equipos del Tecnológico. Con la implementación de este sistema de monitoreo se adquirieron conocimientos en dispositivos, software y hardware que nos permitirán un mejor desempeño académico y experiencias para la vida laboral.

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ANEXOS

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