Universidad Nacional del Altiplano FACULTAD DE INGENIERIAMECANICA ELECTRICA, ELECTRONICA Y

SISTEMAS

Escuela Profesional de Ingenieria Electronica

PROYECTO II

“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSIÓN AUTOMATICO MEDIANTE EL USO DE ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA”

DOCENTE: ING. BEJAR MUÑOZ Pedro

PRESENTADO POR:

FLORES HUAHUALUQUE JULIO VOLNEY 080820

CANAZA VEGA GRIMALDO 991755

ORTIZ CALLATA GILMERD BERNARDO 094748

Puno - Perú

2015

RESUMEN

El sistema de riego por aspersión automatizado, permite optimizar el

uso y manejo del agua en cultivos agrícolas, ya que se trata de una red de

sensores para determinar cuándo y cuánto se riega el cultivo. El sistema es

alimentado por baterías recargables que son cargadas por paneles

fotovoltaicos rotacionales y de elevación, el cual sea controlado por la

manipulación en la tarjeta Arduino, el cual logre identificar y posicionar la

cara principal del seguidor solar para que este sea capaz de cargar una

fotocelda, por medio de posicionar la celda en un punto donde esté lo más

aproximado de tener su punto de carga máxima respecto al tiempo, y así

mismo el equipo sea capaz de seguir al sol en el transcurso del día,

aprovechando el mejor rayo de luz (radiación por metro cuadrado) en todo el

día, dejando de ser una fotocelda estática donde solo llega a su punto

máximo de carga respecto al tiempo cuando el sol se posiciona en un punto

clave. Además de hacer el diseño mecánico a través del cual se logre mover

con facilidad el seguidor solar. El sistema puede ser utilizado en áreas

geográficamente aisladas, debido a su autonomía energética y bajo costo.

TITULO DEL PROYECTO:

“DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE RIEGO POR ASPERSIÓN AUTOMATICO MEDIANTE EL USO DE ENERGIA SOLAR

FOTOVOLTAICA”

1. ANTECEDENTES:

No es hasta la segunda mitad del siglo XX cuando se dan las

condiciones necesarias para que la nueva tecnología solar fotovoltaica

encuentre su oportunidad dentro del panorama energético en general, y en

el de su utilización para el bombeo de agua en particular. En esta época, ya

existían una producción de módulos fotovoltaicos, y éstos eran utilizados en

campos de la industria muy restringidos como por ejemplo la alimentación de

sistemas de señalización: boyas en las costas o balizas en las vías públicas.

En los años subsiguientes, y gracias al apoyo de agencias de

desarrollo internacional, se llevaron a cabo programas de bombeo

fotovoltaico de diferentes tamaños. Entre 1990 y 1994, la agencia de

cooperación alemana (GTZ) llevó a cabo un proyecto de instalación de 90

sistemas de bombeo, totalizando una potencia de 180 kWp, con el objetivo

de demostrar la viabilidad de esta tecnología y los costos reales que

conllevaba. Los sistemas se instalaron en varios países: Argentina, Brasil,

Filipinas, Indonesia, Túnez, Jordania y Zimbawe, en colaboración con las

agencias locales encargadas del suministro de agua de cada país.

La gran novedad que supuso el PRS fue la implantación de un control

de calidad en la parte del sistema que va desde el pozo hasta la entrada al

depósito. Para conseguirlo, se diseñaron unas especificaciones técnicas y se

implantó un control de calidad llevado a cabo en laboratorios independientes

consiguiendo como resultado una importante mejora en la fiabilidad de los

equipos.

2. JUSTIFICACION:

La situación que se vive en nuestro planeta debido a la contaminación

producida por la utilización de energía generada de combustibles fósiles, ha

obligado a tomar alternativas como las energías renovables para reducir en

cierta medida el daño ecológico causado.

El aprovechamiento de la energía solar es una de las opciones para

detener y mitigar los daños que la sociedad ha causado y causa en la

naturaleza, es por eso que se requiere de equipos y sistemas en los cuales

se implementen las diferentes aplicaciones de la energía solar, entre las

cuales se encuentra el bombeo fotovoltaico.

En base a los criterios mencionados en los párrafos anteriores, es que

se fundamenta la decisión de construir un equipo que funcione a través de

energía solar fotovoltaica, con el propósito de fomentar la investigación

dentro del campo de las energías limpias.

La importancia en desarrollar un sistema de bombeo fotovoltaico es

demostrar que sus aplicaciones están a nuestro alcance y comprobar que

este tipo de sistema posee la factibilidad económica para poder

implementarse dentro de cualquier ámbito industrial.

3. MARCO TEORICO:

Celda Solar (Celda fotovoltaica) el parámetro estandarizado para

clasificar su potencia se denomina potencia pico, y se corresponde con la

potencia máxima que el módulo puede entregar bajo unas condiciones

estandarizadas, que son:

- radiación de 1000 W/m²

- temperatura de célula de 25 °C (no temperatura ambiente).

Principios teóricos de funcionamiento:

Algunos de los fotones, que provienen de la radiación solar, impactan

sobre la primera superficie del panel, penetrando en este y siendo

absorbidos por materiales semiconductores, tales como el silicio o el

arseniuro de galio.

Los electrones, subpartículas atómicas que forman parte del exterior

de los átomos, y que se alojan en orbitales de energía cuantizada, son

golpeados por los fotones (interaccionan) liberándose de los átomos a los

que estaban originalmente confinados.

Esto les permite, posteriormente, circular a través del material y producir

electricidad. Las cargas positivas complementarias que se crean en los

átomos que pierden los electrones, (parecidas a burbujas de carga positiva)

se denominan huecos y fluyen en el sentido opuesto al de los electrones, en

el panel solar.

Se ha de comentar que, así como el flujo de electrones corresponde a

cargas reales, es decir, cargas que están asociadas a desplazamiento real

de masa, los huecos, en realidad, son cargas que se pueden considerar

virtuales puesto que no implican desplazamiento de masa real.

El punto de potencia máxima de un dispositivo fotovoltaico varía con

la iluminación incidente. Para sistemas bastante grandes se puede justificar

un incremento en el precio con la inclusión de dispositivos que midan la

potencia instantánea por medida continua del voltaje y la intensidad de

corriente (y de ahí la potencia transferida), y usar esta información para

ajustar, de manera dinámica, y en tiempo real, la carga para que se

transfiera, siempre, la máxima potencia posible, a pesar de las variaciones

de luz, que se produzcan durante el día.

Potencia y costes En un día soleado, el Sol irradia alrededor de 1

kW/m2 a la superficie de la Tierra. Considerando que los paneles

fotovoltaicos actuales tienen una eficiencia típica entre el 12%-25%, esto

supondría una producción aproximada de entre 120-250 W/m² en función de

la eficiencia del panel fotovoltaico.

Arduino es una plataforma de hardware libre, basada en una placa

con un microcontrolador y un entorno de desarrollo, diseñada para facilitar el

uso de la electrónica en proyectos multidisciplinares.

El hardware consiste en una placa con un microcontrolador Atmel

AVR y puertos de entrada/salida. Los microcontroladores más usados son el

Atmega168, Atmega328, Atmega1280, ATmega8 por su sencillez y bajo

coste que permiten el desarrollo de múltiples diseños. Por otro lado el

software consiste en un entorno de desarrollo que implementa el lenguaje de

programación Processing/Wiring y el cargador de arranque que es ejecutado

en la placa.

Arduino puede tomar información del entorno a través de sus

entradas analógicas y digitales, y controlar luces, motores y otros

actuadores. El microcontrolador en la placa Arduino se programa mediante

el lenguaje de programación Arduino (basado en Wiring) y el entorno de

desarrollo Arduino (basado en Processing). Los proyectos hechos con

Arduino pueden ejecutarse sin necesidad de conectar a un computador.

Fotorresistencia es un componente electrónico cuya resistencia

varía en función de la luz. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo

cuando hay luz incidiendo en él (puede descender hasta 50 ohms) y muy

alto cuando está a oscuras (varios mega ohmios).

Su funcionamiento se basa en el efecto fotoeléctrico. Un fotorresistor

está hecho de un semiconductor de alta resistencia como el sulfuro de

cadmio, CdS. Si la luz que incide en el dispositivo es de alta frecuencia, los

fotones son absorbidos por las elasticidades del semiconductor dando a los

electrones la suficiente energía para saltar la banda de conducción. El

electrón libre que resulta, y su hueco asociado, conducen la electricidad, de

tal modo que disminuye la resistencia. Los valores típicos varían entre 1 MΩ,

o más, en la oscuridad y 100 Ω con luz brillante.

Resistor componente electrónico diseñado para introducir una

resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito eléctrico.

En el propio argot eléctrico y electrónico, son conocidos simplemente como

resistencias. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., se

emplean resistencias para producir calor aprovechando el efecto Joule.

Servomotor (también llamado servo) es un dispositivo similar a un

motor de corriente continua que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier

posición dentro de su rango de operación, y mantenerse estable en dicha

posición. Un servomotor es un motor eléctrico que puede ser controlado

tanto en velocidad como en posición.

Los servomotores hacen uso de la modulación por ancho de pulsos

(PWM) para controlar la dirección o posición de los motores de corriente

continua. La mayoría trabaja en la frecuencia de los cincuenta hercios, así

las señales PWM tendrán un periodo de veinte milisegundos. La electrónica

dentro del servomotor responderá al ancho de la señal modulada. Si los

circuitos dentro del servomotor reciben una señal de entre 0,5 a 1,4

milisegundos, éste se moverá en sentido horario; entre 1,6 a 2 milisegundos

moverá el servomotor en sentido anti horario; 1,5 milisegundos representa

un estado neutro para los servomotores estándares. A continuación se

exponen ejemplos de cada caso:

Bomba de Agua Eléctrica 12v, Una bomba de agua eléctrica 12v es

un sistema mecánico o electro-mecánico que puede formar parte de un

sistema hidráulico o hídrico, accionadas por un motor eléctrico,

distinguiéndose de las motobombas, habitualmente accionadas por motores

de combustión interna, el cual aprovecha la energía del movimiento

realizando acciones de regulación y control para elevar y desplazar este

líquido. Existen principalmente dos tipos: estáticas y dinámicas. Cuenta con

un control de flujo totalmente ajustable y aspiración a ras del fondo, lo que la

hace capaz de funcionar eficazmente. Puede utilizarse para contrarrestar la

fuerza de gravedad o bien cuando las cañerías son muy largas, horizontales

o con un poco de declive, son ideales para caravanas, casas de campo con

instalación solar y pequeños huertos. La bomba 12v es una variedad de

bomba que no resulta fácil de encontrar en el mercado. Presenta pequeñas

dimensiones usándose en fuentes de interior o fuentes pequeñas. Con unas

prestaciones inigualables permiten trabajar durante largas horas sin dar

ningún problema. Su uso general proporciona un buen caudal con una alta

potencia de elevación del agua. Tiene una aspiración plana y es posible

usarla fuera del agua disminuyendo los volúmenes de trabajo de la misma.

Puede utilizarse en exteriores, tiene patas anti vibración las cuales

garantizan un funcionamiento silencioso: ideal para la relajación.

Proporciona buen caudal con una alta potencia para elevar el agua, por lo

que podemos utilizarla en caravanas, barcos, equipos de energía solar,

autoabastecimientos de agua, pequeños sistemas de riego por aspersión o

elevación de agua a varios metros de altura. Es recomendable el uso de

filtros para evitar la posible absorción de suciedad. Los materiales utilizados

en la fabricación de estas bomba de agua eléctrica 12v y en particular la

bomba 12v son seleccionados para que cumplan con los parámetros de

operación y requerimientos del sistema, extendiendo su vida útil, El diseño

ergonómico hacen que el transporte e instalación de la misma sea rápido y

fácil. Para más información puede visitar el sitio web

ventageneradoreselectricos.com y consulte los catálogos de precios, manual

de usuario y especificaciones técnicas de estos equipos.

Sensor de humedad, se puede utilizar para detectar la humedad del

suelo, solo hay que insertarlo en el suelo para poder tomar la lectura.

Es excelente para proyectos como invernaderos, botánica,jardinería ó

incluso como un sensor de agua. (Para saber si se ha mojado la superficie)

Puedes usarlo con Arduino.

Características Voltaje de operación 5 V CD

Precisión

Compatible con ARDUINO

Interfase 4 pins DAVG

Bajo consumo de energía

4. HIPÓTESIS:

Centrados en la necesidad de crear un prototipo de naturaleza

practica y funcional, sobre un área donde ya existen diferentes opciones

disponibles y por tanto no existe una incertidumbre inherente; lo que se

pretende es incidir sobre las características del sistema de modo que, la

hipótesis sobre la cual se pretende obtener una conclusión es la siguiente:

Empleando conocimientos básicos de ingeniería así como material y

equipos disponibles en el mercado; es posible el diseño y la construcción de

un sistema de bombeo fotovoltaico para una aplicación agrícola simple; el

cual cumpla con la premisa de ser económico además de ser confiable y

competitivo con sus contrapartes del mercado.

5. OBJETIVOS:

5.1 OBJETIVO GENERAL

Diseñar e implementar un sistema de riego por aspersión

automático mediante el uso de energía solar fotovoltaica

para aplicaciones agrícolas.

5.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS

Verificar la factibilidad técnica y económica de la aplicación

del sistema de riego fotovoltaico.

Fomentar el desarrollo de la energía solar fotovoltaica en

aplicaciones académicas.

Contribuir con la mejora ambiental al utilizar una energía

limpia, inagotable y no contaminante.

6. METODOLOGIA:

Los pasos para el desarrollo y pruebas del prototipo experimental se ajustan

a los lineamientos descritos a continuación:

Búsqueda de la información

Propuesta de diseño.

Programación en plataforma arduino.

Especificación de las variables medibles.

Construcción de prototipo.

Experimentación del prototipo.

Análisis de resultados.

Conclusiones.

7. MATERIALES:

Tarjeta Arduino UNO R3.

2 servomotores de capacidad estándar como actuadores

operando a 180°.

1 mini motor de bombeo de agua

4 LDR convencionales de 2 M Ω, 100Vca.

4 resistencias de 220 Ω para cada LDR.

1 regulador de voltaje a 12 volts para regular el voltaje

entregado por la celda.

1 diodo 1N4009 para evitar el retorno de voltaje de la

batería.

1 capacitor electrolítico para lograr la “rectificación” y

obtener un voltaje DC más estable.

1 protoboard.

Multímetro para medir conductividad, resistencia, voltaje y

amperaje.

Variedad de cables para todas las conexiones.

8. COSTOS:

Materiales Precio unitario s/

Precio general s/

Tarjeta Arduino UNO R3 50.00 50.00

2 servomotores 30.00 60.00

1 mini motor de bombeo 15.00 15.00

4 LDR 4.00 16.00

4 resistencias 0.05 0.20

1 regulador de voltaje 1.50 1.50

1 diodo 1N4009 0.10 0.10

1 capacitor electrolítico 0.20 0.20

1 protoboard. 8.00 8.00

Celda fotovoltaica 80.00 80.00

1 sensor de humedad de suelo 3.50 3.50

Precio total 234.50

9. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES:

actividades Semanas

1 2 3 4 5 6 7 8

Presentación de perfil X

Compra de materiales X

Ejecución del proyecto X X X

Experimentación X X

Presentación X

10. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS:

Bedoya, J. y Moreno, F. (2013). Diseño y construcción de un

sistema de bombeo y riego a escala, automatizado y

alimentado con energía solar fotovoltaica. Bogotá:

Universidad Distrital.

Campbell Scientific Inc. (2000). Manual 253 y 253L. Riverside,

USA: Campbell Scientific Inc.

Chard, J. (2005). Wetmark soil moisture

sensors.Characteritics and operating. Logan, USA:

Wetermark.

De Juana, J. M. (2003). Energías renovables para el

Desarrollo. Madrid: Thomson.

Odnuplay-fao. (2006). Guías para la determinación de

requerimientos de agua en cultivos agrícolas. Roma: FAO.

Oregon State University (2005). Malheur Experiment Station.

Irrigation monitoring using soil water tension.Oregon: Oregon

Station University.

Sandia National Laboratories. (2001). Guía para el desarrollo

de proyectos con bombeo de agua usando energía solar

fototvoltáica. México, D.F.: Texmico.