REPORTE DEL SENSOR DE RADICIÓN SOLAR OPT101

DIAZ BULNEZ CLAUDIA IVETTE ARAGON GONZALEZ JANET

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Tabla de contenido

INTRODUCCION ........................................................................................................................ 2

1 Conceptos básicos de radiación solar ............................................................................. 2

1.1 ¿Qué es la radiación solar? ........................................................................................... 2

1.2 Tipos de radiación solar .................................................................................................. 2

1.3 Dispositivos para medir la radiación solar global ........................................................ 3

1.4 Sensor OPT101 ............................................................................................................... 3

1.4.1 Características ........................................................................................................ 3

1.5 Medición de radiación solar............................................................................................ 4

1.5.1 Necesidad de empleo de un amplificador operacional ........................................... 5

DESARROLLO ........................................................................................................................... 7

Referencias ............................................................................................................................... 14

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INTRODUCCION

El siguiente reporte explicará lo que es la radiación solar, parámetros de

medición solar, tipos de radiaciones, el funcionamiento del sensor OPT101, así

como sus características, la comunicación que tiene con el XBee ZB (S2B) y

para qué se utilizará dicho sensor en este reporte.

1 Conceptos básicos de radiación solar

“Se conoce como radiación al proceso físico por medio del cual se transmite

energía en forma de ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la

luz (300,000 km./s). No requiere ningún medio de propagación.” [1].

1.1 ¿Qué es la radiación solar?

“La radiación solar es el flujo de energía que recibimos del sol en forma de

ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias (luz visible, infrarroja y

ultravioleta). La luz visible son las radiaciones comprendidas entre 0,4 µm y 0,7

µm pueden ser detectadas por el ojo humano. Existen radiaciones situadas en

la parte infrarroja del espectro de la cual una parte es ultravioleta.”[2].

“No toda la radiación alcanza la superficie de la tierra porque las ondas

ultravioletas más cortas son absorbidas por los gases en la atmósfera,

principalmente por el ozono. La escala que mide la radiación solar que llega a

la tierra es la irradiance, que mide la energía por unidad de tiempo y área que

llega al suelo.

La unidad de medida para la radiación es el W / m2 (Watts sobre metro

cuadrado).”[3].

1.2 Tipos de radiación solar

Los tipos de radiación solar dependen de la forma en que los rayos del sol

afectan a los objetos situados en la superficie de nuestro planeta. [4]:

Radiación directa

Es la radiación que llega directamente del sol sin haber sufrido cambio alguno

en su dirección.

Radiación difusa

Es la radiación que tiene interacción con el ambiente, cambia de direcciones

debido a las reflexiones y absorciones producidas por el impacto contra las

diferentes moléculas, partículas u objetos.

Radiación reflejada

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Se produce cuando los rayos del sol se reflejan en la superficie de la tierra. La

cantidad de radiación depende del coeficiente de reflexión de la superficie.

Radiación global

Es la suma de la radiación directa y difusa sobre una superficie.

1.3 Dispositivos para medir la radiación solar global

Hay diferentes dispositivos para medir la radiación solar global. Por ejemplo, el

piranómetro que mide la irradiación incidente sobre la superficie de la tierra.

Los piranómetros de bajo coste utilizan sensores de silicona con una pequeña

celda fotovoltaica que genera una corriente eléctrica que es proporcional a la

radiación solar. Muchos de estos tipos de sensores sólo son sensibles a la luz

visible y su exactitud, en el mejor de los casos, tiene un error del 5%. Para más

información sobre cómo medir la radiación solar, consulte las referencias [5].

1.4 Sensor OPT101

1.4.1 Características

1. Fuente de alimentación: +2,7 a + 36V

2. Tamaño del fotodiodo: 0,09 x 0.09inch (tamaño del chip 0,5 x 1,0,

adecuada para la medición de la distribución de la fuente de luz

eléctrica).

3. Chip amplificador de resistencias de retroalimentación: RF = 1MΩ

4. Respuesta del fotodiodo: 0.45A / W (650nm)

5. Ancho de banda de respuesta: 14 kHz (RF = 1MΩ)

6. Muy baja corriente de reposo: 120μA

Ver información en el datasheet del sensor.

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1.5 Medición de radiación solar

Los fotodiodos proporcionan un valor proporcional al nivel actual de radiación

solar que incide sobre ellos, esta corriente se convierte en una tensión por el

dispositivo OPT101P-J.

El voltaje generado por el dispositivo OPT101P-J se adaptará a una entrada

analógica del XBee. El XBee tiene un convertidor analógico a digital (A / D). Lo

convierte a una señal digital que corresponde a la radiación medida por el

fotodiodo.

Esta etapa es la responsable de obtener los índices correspondientes a la

radiación solar incidente que es emitida en vatios por metro cuadrado (W/m2).

El ADC tiene una resolución de 10 bits. Para determinar la resolución del Xbee

ADC se utiliza la ecuación 2.1. El valor de esta ecuación indica que se tendrá

una señal digital que va a variar en mV. Para la conversión de la señal

analógica en la ecuación 2.2 digital, se utiliza para obtener el nivel de tensión

que tenemos en la entrada del A / D.

Valores de las variables

Donde es una tensión de referencia, N es el número de bits en el A / D y D es

el nivel máximo de tensión.

El cálculo de la radiación solar es implementado por software en el XBee. Al

hacer esto, debemos seguir la ecuación 2.5 que calcula el valor en vatios por

metro cuadrado (W / m2). Este cálculo se realiza sobre la base de la corriente

generada por el fotodiodo en el XBee se lee como un nivel de tensión a través

de su convertidor A / D.

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La ecuación 2.3 es actual conversor a la tensión. Si reemplazamos la ecuación

2.3 en la ecuación 2.4, obtenemos la ecuación 2.5, que se utiliza para el cálculo

de la radiación solar.

• Variables

1. Rd = Incidente en el fotodiodo en

2. = Corriente generada por el fotodiodo en amperios (A).

3. = sensibilidad del sensor en

4. Ar = Sensor-activo en metros cuadrados (m2).

5. R = resistencia de realimentación de conversión de corriente a tensión

en ohm (Ω).

Los valores de S (λ), Ar y R se proporcionan en la Tabla 2.6. Por variables de

sustitución con sus respectivas unidades, obtenemos la unidad de medida de la

radiación que es (W / m2) Como se muestra en la ecuación 2.5

La información descrita en esta sección se obtuvo a partir de un trabajo

realizado en el Departamento de Ingeniería Electrónica de la UTN de Villa

María en la ciudad de Córdoba Argentina [6].

1.5.1 Necesidad de empleo de un amplificador operacional

El fotodiodo es muy sensible a la radiación infrarroja, por lo tanto, no debe ser

nunca expuesto a la luz solar directa, ya que puede llegar a un voltaje de

saturación [7].

Hay diferentes tipos de amplificadores operacionales, para este proyecto nos

centraremos en los siguientes: OPA177, TL081 y MC1741C que son fáciles de

obtener.

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Con el fin de verificar si un amplificador operacional se necesitará, es necesario

hacer dos experimentos:

1. Utilizando el amplificador operacional.

2. Controlando el problema a través de software.

Se compararán las dos lecturas con el fin para decidir que opción es la mejor.

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DESARROLLO

El objetivo de esta prueba consiste en medir el tiempo de respuesta.

El tiempo de respuesta es el tiempo que toma para que el sensor se estabilice

y entregue la tensión de salida correcta cuando el cambio de luz se produce.

Las medidas adoptadas en este intervalo de tiempo muestran información

confiable, por lo tanto es importante identificar y hacer caso omiso de estas

medidas y adoptar una nueva muestra cuando la señal se ha estabilizado.

MATERIAL

Fuente de alimentación de 3,3 V

Protoboard

OPT101P-J Circuito Integrado

Alambre para protoboard

Impreso OPT101 Hoja de datos

1 LED de luz blanca

Multímetro

1 resistencia eléctrica de 10k Ω

1 resistencia eléctrica de 2k Ω

Placa programadora de XBee

Módulo XBee

P&E USB Multilink interface

Procedimiento

1. Conecte el sensor al protoboard como se muestra en la siguiente

imagen.

Conecte el pin 1 a corriente (Vcc).

Los pines 3 y 8 van conectados a tierra

Conecte pin 4 a pin 5.La tensión de salida es el pin 5

Los pines 2,6, 7 no estarán conectados.

2. S

e

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hace la conexión de dos resistencias en serie, donde una ira conectada

a tierra, y otra ira conectada a corriente. Esto es para que el módulo

XBee no sufra ningún daño al pasar corriente.

3. Realizar la conexión a la placa como se muestra en la siguiente imagen.

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Conecte el módulo XBee en la placa de acuerdo a la enumeración de

sus pines.

Conecte el respectivo cable de la placa a una computadora con puerto

USB 2.0, ya que si no es este tipo de puerto lo reconocerá como serial y

se necesita reconocer como COM (puerto común).

Conecte el P&E USB Multilink interface a la placa programadora y lo

conectaremos a una computadora en un puerto USB. Verifique que los

dos led prendan. Si el led amarillo no prende es porque se realizó mal la

conexión.

4. Se procede a conectar el módulo XBee al circuito como se muestra en la

siguiente imagen.

Se conecte el pin 20 del módulo XBee al pin 5 del sensor.

El pin 15 del XBee y conecte a la resistencia

Y pin 10 del XBee y conecte a tierra.

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5. Proceda a conectar la fuente de alimentación al circuito como se

muestra en la siguiente imagen.

Conecte el cable negro a tierra y el cable rojo a corriente.

Coloque un cable y conecte una punta a tierra y otra a corriente para

alimentar el Protoboard (Cable naranja)

Regule la fuente de alimentación a 3,3v

6. Proceda a hacer la comunicación

NOTA: Para realizar este punto necesita tener instalado el programa

CodeWarrior así como sus respectivos Drivers y su SDK.

Abra el programa CodeWarrior

De click en File-new- XBee application project

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Le mostrara siguiente ventana, seleccionamos el módulo XBee

que se está utilizando. El que se está utilizando en este proyecto

es el módulo XBee ZB (S2B).Dar clic en Next.

En la siguiente ventana seleccione el proyecto a utilizar, en esta

ocasión utilizara el proyecto ADC.

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Finalice para que cargue el programa.

Ubicarse en el programa main que se encuentra ubicado en la

carpeta Source, le mostrara el siguiente código.

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En la parte superior elija el puerto que se utilizara.

Al realizar la comunicación con el modulo y el sensor lo ejecutara

para que le muestre los siguiente valores.

7. Colocar el led de luz blanca en el sensor y muestra que los valores

varían.

Botón de ejecución

Valores Obtenidos.

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Referencias

[1] http://tesis.uson.mx/digital/tesis/docs/7542/Capitulo3.pdf

[2]

http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/radiacionsolar.ht

ml

[3] Wikipedia. Radiación solar. http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci

[4] Esc. Tecnica IPEM 56. Types of solar radiation. http://www.oni.escuelas.edu.ar/2008/CORDOBA/1324/trabajo/radiacionsolar.html, May. 2010. [5] TBCL. Solar radiation measurement instrumentation. http://www.tbcl.com.tw- /Product/EPPLEB/EPPleb.htm, Jan. 2010. [6] Fabian Sensini. Medidor de radiacion solar con almacenamiento en memoria SD.In 5a Jornadas CyTAL, Av. Universidad 450, Villa Maria, Cordoba., May. 2012. [7] Texas Instruments. OPT101: monolithic photodiode and single-suply

transimpedance amplier. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opt101.pdf, Jan. 1994.