análisis de fuentes de energía y desarrollo de fuente fotovoltaica para dispositivos de redes de...
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Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Departamento de Electroacutenica
Anaacutelisis de Fuentes de Energiacutea y Desarrollo de Fuente Fotovoltaica para Dispositivos de Redes
de Sensores Inalaacutembricos
Memoria presentada por Alejandro Kemp Dietz
Como requisito parcial para la obtencioacuten del tiacutetulo de
Ingeniero Civil Electroacutenico Mencioacuten Telecomunicaciones
Profesor Guiacutea Dr Walter Grote Hahn
Valparaiacuteso
julio de 2010
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Anaacutelisis de Fuentes de Energiacutea y Desarrollo de Fuente Fotovoltaica para Dispositivos de Redes
de Sensores Inalaacutembricos
Alejandro Kemp Dietz Memoria presentada como requisito parcial para optar al tiacutetulo de Ingeniero Civil
Electroacutenico Mencioacuten Telecomunicaciones
Profesor Guiacutea Walter Grote Ph D julio de 2010
Resumen Las redes inalaacutembricas de sensores permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos con circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las redes de sensores inalaacutembricos son variadas y amplias a continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas Este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera La fuente de alimentacioacuten como tal entrega un voltaje regulado de 33 [V] y una corriente de hasta 200 [mA]La limitacioacuten de esto es la cantidad de energiacutea almacenada que tenga el sistema al momento de su uso Seguacuten las mediciones efectuadas para validar el disentildeo se comproboacute que el sistema puede operar a una tasa de trabajo de 10 en cualquier lugar con radiacioacuten global miacutenima de 100 [MJm2
mes] y hasta 40 en zonas de radiacioacuten miacutenima 300 [MJm2
mes] Como referencia en la zona de Valparaiacuteso la radiacioacuten mensual miacutenima registrada es de un poco menos de 200 [MJm2
mes] Ademaacutes el sistema es capaz de trabajar a mayores ciclos de trabajo que los indicados y tambieacuten alimentar sensores u otros dispositivos que requieran 33 [V] tomando las consideraciones de consumo de energiacutea para cada caso Palabras Clave ndash fuentes de energiacutea renovables energiacutea solar bateriacuteas recargables suacuteper condensadores redes inalaacutembricas de sensores
3
Iacutendice de contenidos
11 INTRODUCCIOacuteN FUENTES DE ENERGIacuteA PARA RSIrsquoS 6 12 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA A RESOLVER 6 13 ESTADO DEL ARTE DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS7
131 Celda Fotovoltaica 8 1311 Introduccioacuten 8 1312 Radiacioacuten Solar 9 1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica 12 1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica 14 1315 Comentarios 16
132 Los Suacuteper Condensadores 17 1321 Introduccioacuten 17 1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador 17 1323 Almacenamiento de Energiacutea 19 1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema 20 1325 Comentarios 21
133 Las Bateriacuteas Recargables 22 1331 Introduccioacuten 22 1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles 23 1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH 24 1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH 26 1335 Efecto Memoria 29 1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH 30
134 Mecanismo de Control de Cargas 32 1341 Introduccioacuten 32 1342 Funcionamiento del Controlador 32 1343 Loacutegica del controlador 33
21 DISENtildeO CONCEPTUAL 36 211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI 36 212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo 37 213 Requisitos de Ambiente38
22 DISENtildeO ELECTROacuteNICO 39 221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo39
2211 Buffer Primario 39 2212 Convertidor DC-DC 40 2213 Cargador de Bateriacuteas 41 2214 Buffer Secundario 42
222 Disentildeo del Circuito Impreso43 23 PRUEBAS FUNCIONALES43
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1 45 232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10 46
31 ELECCIOacuteN DEL CICLO DE TRABAJO DE LA RSI 47 32 CAPACIDAD DE LAS BATERIacuteAS 49 33 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL SISTEMA 50 41 ENERGIacuteA SOLAR COMO FUENTE DE ALIMENTACIOacuteN DE NODOS DE RSIrsquoS 52 42 CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS DE DISENtildeO 52 43 TRABAJOS FUTUROS 53 51 APEacuteNDICE A DISENtildeO DEL CIRCUITO ELEacuteCTRICO 55 52 APEacuteNDICE B DATOS SATELITALES DE RADIACIOacuteN SOLAR EN EL CONO SUDAMERICANO56 53 APEacuteNDICE C CONSUMO DEL SISTEMA60 54 APEacuteNDICE D VERSIOacuteN DEL COacuteDIGO PARA PRUEBAS 62 55 APEacuteNDICE E COacuteDIGO MATLAB PARA GRAFICAR DATOS DE MEDICIONES 68 REFERENCIAS 72
4
Iacutendice de Figuras Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI 7 Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema8 Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4] 10 Figura 133 radiacioacuten Directa [4] 10 Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]11 Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3] 13 Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]13 Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar 14 Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto15 Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada16 Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria 17 Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador 18 Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]19 Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6] 20 Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de funcionamiento 21 Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria 22 Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10] 25 Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH26 Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC] 27 Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente28 Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH29 Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con
descargas y recargas profundas [9]30 Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]30 Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de31 Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs32 Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control 35 Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario39 Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920 40 Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI41 Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas 42 Figura 225 Buffer Secundario42 Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea 43 Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos 44 Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida 48 Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el ciclo
de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes 49 Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la cantidad
estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente 50 Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m
2 recibida en Valparaiacuteso [1]51
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]51 Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm
2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo56
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio 57
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre 57 Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo58 Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio 58 Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre 59 Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L692060
5
Iacutendice de tablas Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper
condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03] 19 Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema 23 Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH 28 211-1 Requisitos Globales de disentildeo37 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica 37 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario 37 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario38 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC 38 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky60
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1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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2
Anaacutelisis de Fuentes de Energiacutea y Desarrollo de Fuente Fotovoltaica para Dispositivos de Redes
de Sensores Inalaacutembricos
Alejandro Kemp Dietz Memoria presentada como requisito parcial para optar al tiacutetulo de Ingeniero Civil
Electroacutenico Mencioacuten Telecomunicaciones
Profesor Guiacutea Walter Grote Ph D julio de 2010
Resumen Las redes inalaacutembricas de sensores permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos con circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las redes de sensores inalaacutembricos son variadas y amplias a continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas Este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera La fuente de alimentacioacuten como tal entrega un voltaje regulado de 33 [V] y una corriente de hasta 200 [mA]La limitacioacuten de esto es la cantidad de energiacutea almacenada que tenga el sistema al momento de su uso Seguacuten las mediciones efectuadas para validar el disentildeo se comproboacute que el sistema puede operar a una tasa de trabajo de 10 en cualquier lugar con radiacioacuten global miacutenima de 100 [MJm2
mes] y hasta 40 en zonas de radiacioacuten miacutenima 300 [MJm2
mes] Como referencia en la zona de Valparaiacuteso la radiacioacuten mensual miacutenima registrada es de un poco menos de 200 [MJm2
mes] Ademaacutes el sistema es capaz de trabajar a mayores ciclos de trabajo que los indicados y tambieacuten alimentar sensores u otros dispositivos que requieran 33 [V] tomando las consideraciones de consumo de energiacutea para cada caso Palabras Clave ndash fuentes de energiacutea renovables energiacutea solar bateriacuteas recargables suacuteper condensadores redes inalaacutembricas de sensores
3
Iacutendice de contenidos
11 INTRODUCCIOacuteN FUENTES DE ENERGIacuteA PARA RSIrsquoS 6 12 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA A RESOLVER 6 13 ESTADO DEL ARTE DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS7
131 Celda Fotovoltaica 8 1311 Introduccioacuten 8 1312 Radiacioacuten Solar 9 1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica 12 1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica 14 1315 Comentarios 16
132 Los Suacuteper Condensadores 17 1321 Introduccioacuten 17 1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador 17 1323 Almacenamiento de Energiacutea 19 1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema 20 1325 Comentarios 21
133 Las Bateriacuteas Recargables 22 1331 Introduccioacuten 22 1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles 23 1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH 24 1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH 26 1335 Efecto Memoria 29 1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH 30
134 Mecanismo de Control de Cargas 32 1341 Introduccioacuten 32 1342 Funcionamiento del Controlador 32 1343 Loacutegica del controlador 33
21 DISENtildeO CONCEPTUAL 36 211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI 36 212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo 37 213 Requisitos de Ambiente38
22 DISENtildeO ELECTROacuteNICO 39 221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo39
2211 Buffer Primario 39 2212 Convertidor DC-DC 40 2213 Cargador de Bateriacuteas 41 2214 Buffer Secundario 42
222 Disentildeo del Circuito Impreso43 23 PRUEBAS FUNCIONALES43
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1 45 232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10 46
31 ELECCIOacuteN DEL CICLO DE TRABAJO DE LA RSI 47 32 CAPACIDAD DE LAS BATERIacuteAS 49 33 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL SISTEMA 50 41 ENERGIacuteA SOLAR COMO FUENTE DE ALIMENTACIOacuteN DE NODOS DE RSIrsquoS 52 42 CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS DE DISENtildeO 52 43 TRABAJOS FUTUROS 53 51 APEacuteNDICE A DISENtildeO DEL CIRCUITO ELEacuteCTRICO 55 52 APEacuteNDICE B DATOS SATELITALES DE RADIACIOacuteN SOLAR EN EL CONO SUDAMERICANO56 53 APEacuteNDICE C CONSUMO DEL SISTEMA60 54 APEacuteNDICE D VERSIOacuteN DEL COacuteDIGO PARA PRUEBAS 62 55 APEacuteNDICE E COacuteDIGO MATLAB PARA GRAFICAR DATOS DE MEDICIONES 68 REFERENCIAS 72
4
Iacutendice de Figuras Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI 7 Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema8 Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4] 10 Figura 133 radiacioacuten Directa [4] 10 Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]11 Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3] 13 Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]13 Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar 14 Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto15 Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada16 Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria 17 Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador 18 Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]19 Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6] 20 Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de funcionamiento 21 Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria 22 Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10] 25 Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH26 Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC] 27 Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente28 Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH29 Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con
descargas y recargas profundas [9]30 Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]30 Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de31 Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs32 Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control 35 Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario39 Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920 40 Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI41 Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas 42 Figura 225 Buffer Secundario42 Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea 43 Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos 44 Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida 48 Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el ciclo
de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes 49 Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la cantidad
estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente 50 Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m
2 recibida en Valparaiacuteso [1]51
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]51 Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm
2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo56
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio 57
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre 57 Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo58 Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio 58 Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre 59 Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L692060
5
Iacutendice de tablas Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper
condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03] 19 Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema 23 Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH 28 211-1 Requisitos Globales de disentildeo37 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica 37 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario 37 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario38 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC 38 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky60
6
1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
27
tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
28
Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
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231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
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232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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3
Iacutendice de contenidos
11 INTRODUCCIOacuteN FUENTES DE ENERGIacuteA PARA RSIrsquoS 6 12 DESCRIPCIOacuteN DEL PROBLEMA A RESOLVER 6 13 ESTADO DEL ARTE DE LOS ELEMENTOS CONSTITUTIVOS7
131 Celda Fotovoltaica 8 1311 Introduccioacuten 8 1312 Radiacioacuten Solar 9 1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica 12 1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica 14 1315 Comentarios 16
132 Los Suacuteper Condensadores 17 1321 Introduccioacuten 17 1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador 17 1323 Almacenamiento de Energiacutea 19 1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema 20 1325 Comentarios 21
133 Las Bateriacuteas Recargables 22 1331 Introduccioacuten 22 1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles 23 1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH 24 1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH 26 1335 Efecto Memoria 29 1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH 30
134 Mecanismo de Control de Cargas 32 1341 Introduccioacuten 32 1342 Funcionamiento del Controlador 32 1343 Loacutegica del controlador 33
21 DISENtildeO CONCEPTUAL 36 211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI 36 212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo 37 213 Requisitos de Ambiente38
22 DISENtildeO ELECTROacuteNICO 39 221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo39
2211 Buffer Primario 39 2212 Convertidor DC-DC 40 2213 Cargador de Bateriacuteas 41 2214 Buffer Secundario 42
222 Disentildeo del Circuito Impreso43 23 PRUEBAS FUNCIONALES43
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1 45 232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10 46
31 ELECCIOacuteN DEL CICLO DE TRABAJO DE LA RSI 47 32 CAPACIDAD DE LAS BATERIacuteAS 49 33 PROCEDIMIENTO PARA DIMENSIONAR EL SISTEMA 50 41 ENERGIacuteA SOLAR COMO FUENTE DE ALIMENTACIOacuteN DE NODOS DE RSIrsquoS 52 42 CUMPLIMIENTO DE LOS REQUISITOS DE DISENtildeO 52 43 TRABAJOS FUTUROS 53 51 APEacuteNDICE A DISENtildeO DEL CIRCUITO ELEacuteCTRICO 55 52 APEacuteNDICE B DATOS SATELITALES DE RADIACIOacuteN SOLAR EN EL CONO SUDAMERICANO56 53 APEacuteNDICE C CONSUMO DEL SISTEMA60 54 APEacuteNDICE D VERSIOacuteN DEL COacuteDIGO PARA PRUEBAS 62 55 APEacuteNDICE E COacuteDIGO MATLAB PARA GRAFICAR DATOS DE MEDICIONES 68 REFERENCIAS 72
4
Iacutendice de Figuras Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI 7 Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema8 Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4] 10 Figura 133 radiacioacuten Directa [4] 10 Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]11 Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3] 13 Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]13 Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar 14 Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto15 Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada16 Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria 17 Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador 18 Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]19 Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6] 20 Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de funcionamiento 21 Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria 22 Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10] 25 Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH26 Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC] 27 Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente28 Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH29 Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con
descargas y recargas profundas [9]30 Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]30 Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de31 Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs32 Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control 35 Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario39 Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920 40 Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI41 Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas 42 Figura 225 Buffer Secundario42 Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea 43 Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos 44 Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida 48 Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el ciclo
de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes 49 Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la cantidad
estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente 50 Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m
2 recibida en Valparaiacuteso [1]51
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]51 Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm
2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo56
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio 57
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre 57 Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo58 Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio 58 Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre 59 Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L692060
5
Iacutendice de tablas Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper
condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03] 19 Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema 23 Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH 28 211-1 Requisitos Globales de disentildeo37 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica 37 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario 37 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario38 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC 38 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky60
6
1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
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Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
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Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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4
Iacutendice de Figuras Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI 7 Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema8 Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4] 10 Figura 133 radiacioacuten Directa [4] 10 Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]11 Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3] 13 Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]13 Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar 14 Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto15 Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada16 Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria 17 Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador 18 Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]19 Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6] 20 Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de funcionamiento 21 Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria 22 Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10] 25 Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH26 Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC] 27 Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente28 Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH29 Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con
descargas y recargas profundas [9]30 Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]30 Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de31 Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs32 Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control 35 Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario39 Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920 40 Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI41 Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas 42 Figura 225 Buffer Secundario42 Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea 43 Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos 44 Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida 48 Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el ciclo
de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes 49 Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la cantidad
estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente 50 Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m
2 recibida en Valparaiacuteso [1]51
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]51 Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm
2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo56
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio 57
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre 57 Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo58 Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio 58 Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre 59 Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L692060
5
Iacutendice de tablas Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper
condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03] 19 Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema 23 Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH 28 211-1 Requisitos Globales de disentildeo37 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica 37 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario 37 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario38 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC 38 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky60
6
1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
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Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
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Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
5
Iacutendice de tablas Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper
condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03] 19 Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema 23 Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH 28 211-1 Requisitos Globales de disentildeo37 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica 37 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario 37 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario38 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC 38 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky60
6
1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
27
tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
29
Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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6
1 Introduccioacuten Las Redes Inalaacutembricas de Sensores (RSI en ingleacutes WSN Wireless Sensor Networks) permiten obtener informacioacuten a traveacutes de sensores dispuestos en los nodos para su posterior anaacutelisis y toma de decisioacuten acerca de acciones que realizar sobre los procesos a controlar Los nodos cuentan para estos propoacutesitos de circuitos y programas que permiten adquirir y procesar la informacioacuten y comunicar datos organizadamente gracias a un microcontrolador y un moacutedulo de comunicacioacuten que opera bajo el estaacutendar IEEE 802154 Los campos de aplicacioacuten de las RSIrsquos son variadas y amplias A continuacioacuten se enumeran algunas monitoreo de cadenas de produccioacuten domoacutetica (seguridad y automatizacioacuten de hogares) uso militar y monitoreo y control de siembras agriacutecolas y frutiacutecolas
11 Introduccioacuten fuentes de energiacutea para RSIrsquos La gran mayoriacutea de las aplicaciones de las RSI tienen como principal limitacioacuten el uso de la energiacutea dado que los nodos de la red se ubican generalmente en grandes extensiones y su funcionamiento depende del uso de bateriacuteas lo cual permite una autonomiacutea aproximada de un antildeo funcionando a ciclos de trabajo del orden del 1 [Jia05] [Pal03] [Rag05] Este trabajo se enfoca en generar una solucioacuten adecuada para garantizar la alimentacioacuten de los nodos de las RSI por muchos antildeos o a tasas de trabajo del orden de entre 10 y 50 sin necesidad de hacer recambios de bateriacuteas
12 Descripcioacuten del problema a resolver El objetivo principal de este trabajo es resolver el problema de agotamiento de las bateriacuteas utilizando un sistema que capture energiacutea del medio ambiente y sea capaz de recargarlas sin afectar su vida uacutetil y daacutendole a los dispositivos un tiempo de funcionamiento sin intervenciones ni mantenimiento lo maacutes prolongado posible del orden de varios antildeos o deacutecadas Existiendo numerosas fuentes que utilizan los recursos naturales para proveer energiacutea de recarga a las bateriacuteas este trabajo se concentra en utilizar la energiacutea solar para este fin debido principalmente a la aplicacioacuten que se tiene en mente para las redes de sensores para las cuales se estaacute disentildeando este dispositivo la aplicacioacuten en agricultura en las regiones primera a deacutecima de Chile En consecuencia este trabajo describe el disentildeo y desarrollo de una fuente de poder que utiliza energiacutea solar y bateriacuteas recargables para la alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de redes de sensores inalaacutembricas Esta aplicacioacuten ha sido disentildeada para asegurar el funcionamiento de un nodo de forma indefinida bajo niveles de radiacioacuten solar normales ya que utiliza una fuente primaria fotovoltaica y otra que es recargable a partir de la primera El modelo conceptual de la fuente se puede esbozar en base al diagrama de la Figura 121 [Jia05]
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
7
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 121 Esquema conceptual de la fuente de energiacutea hibrida para un nodo de RSI
La celda fotovoltaica de la Figura 121 proporciona energiacutea al buffer primario cuando recibe radiacioacuten solar El buffer primario compuesto por suacuteper condensadores acumula estaacute energiacutea y alimenta al nodo El controlador administra esta energiacutea y decide cuando es necesario recargar el buffer secundario y cual de las fuentes ha de proporcionar energiacutea a la carga que ese el nodo RSI seguacuten las condiciones de carga de ambos dispositivos En las secciones que siguen se describiraacute con un nivel de detalle cada vez mayor las consideraciones de disentildeo de la fuente en siacute y de cada una de las partes
13 Estado del Arte de los Elementos Constitutivos En los subcapiacutetulos siguientes se analizaraacute el estado del arte de los elementos constitutivos baacutesicos de la fuente de poder hiacutebrida en base a energiacutea solar y bateriacuteas recargables para nodos de RSIrsquos Se estudiaraacuten los aspectos teoacutericos fiacutesicos eleacutectricos de los principales elementos que se utilizan y en base al anaacutelisis de esta informacioacuten se procederaacute al desarrollo del disentildeo de la fuente en siacute Los elementos principales de esta aplicacioacuten son la celda fotovoltaica los suacuteper condensadores las bateriacuteas recargables y los convertidores DC-DC La aplicacioacuten se disentildea en base a la unioacuten de estos componentes principales y la correcta configuracioacuten de los paraacutemetros requeridos
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
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Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
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Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
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1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
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Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
8
131 Celda Fotovoltaica
1311 Introduccioacuten
Figura 131 La Celda Fotovoltaica y su posicioacuten en el sistema
La energiacutea solar es la energiacutea proveniente directamente del sol Esta energiacutea suele ser utilizada por el reino vegetal para la produccioacuten de glucosa y el mantenimiento de sus actividades bioloacutegicas a traveacutes de la fotosiacutentesis pero tambieacuten puede ser utilizada artificialmente para obtener calor a traveacutes de colectores teacutermicos y electricidad mediante celdas fotovoltaicas Los colectores teacutermicos estaacuten orientados principalmente a obtener agua caliente para uso domeacutestico (ducha calefaccioacuten) o industrial La energiacutea eleacutectrica obtenida a partir de celdas solares puede ser utilizada directamente o bien almacenada para su uso posterior La creciente demanda energeacutetica producto del crecimiento de la poblacioacuten del aumento sin moderacioacuten de la demanda y el encarecimiento de los combustibles foacutesiles asiacute como el problema de la contaminacioacuten medioambiental [Roj99] entre otros factores han hecho que la utilizacioacuten de la energiacutea solar se torne cada vez una solucioacuten maacutes viable [Nar00] Ademaacutes la tecnologiacutea fotovoltaica cuenta con numerosas cualidades por ejemplo una planta de generacioacuten solar no contamina la atmoacutesfera ni produce desechos toacutexicos no tiene partes moacuteviles que se gasten por lo que pueden operar sin problemas durante maacutes de 20 antildeos y no produce ruidos molestos La mayor parte de la superficie terrestre habitada tiene condiciones al menos aptas para el buen funcionamiento de los paneles solares y estos pueden ser incorporados en casas o edificios sin afectar mayormente el entorno y aprovechando espacios que normalmente no se utilizan como la superficie de un techo o paredes [Nar00] En la actualidad Alemania encabeza la generacioacuten de energiacuteas renovables con maacutes de 20622 [MW] instalados en energiacutea eoacutelica (un tercio de la energiacutea eoacutelica producida en el mundo entero) y 363 [MW] instalados en energiacutea solar fotovoltaica con maacutes de 10 millones de metros cuadrados de colectores solares superando a Japoacuten que cuenta con 280 [MW] instalados La poliacutetica actual en Alemania impone que al 2010 se produzca con energiacuteas renovables y no contaminantes al menos el 13 del consumo energeacutetico del paiacutes y el 20 al 2020 asiacute como tambieacuten se aproboacute el 2001 el cierre de todas las plantas nucleares en el territorio alemaacuten en el plazo de 32 antildeos
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
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Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
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Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
9
Este proyecto contempla la utilizacioacuten de una celda fotovoltaica de pequentildeo tamantildeo de no maacutes de 50 [cm2] y con una potencia maacutexima cercana a los 200 [mW] orientada a una fuente de poder hiacutebrida para alimentar un nodo de una red de sensores inalaacutembricos que se ubique al aire libre en un lugar donde tenga radiacioacuten directa del Sol la mayor parte del diacutea
1312 Radiacioacuten Solar
La radiacioacuten solar es un conjunto de ondas electromagneacuteticas que se producen por fusioacuten nuclear en el Sol La magnitud que mide la radiacioacuten solar que llega a la Tierra se denomina irradiancia y se mide en [Wm2] potencia por unidad de aacuterea La irradiancia directa y normal al exterior de nuestra atmoacutesfera se denomina ldquoconstante solarrdquo y su valor fluctuacutea entre 1395 [Wm2] en el perihelio y 1308 [Wm2] en el afelio Una variable tambieacuten conocida es la constante solar media que tiene un valor de 1354 [Wm2] [2] La distribucioacuten espectral de la radiacioacuten solar se deduce de la Ley de Planck para radiacioacuten de cuerpo Negro Seguacuten esto se toma al Sol como un cuerpo negro que emite ondas electromagneacuteticas dada su temperatura Se presenta la ecuacioacuten de Plank y se toma la temperatura de la superficie solar de unos 6000 [degK]
][1043851
][109958948
1
)(
22
241
51
2
KmK
chC
mJchC
e
CTE
B
T
C
sdotsdot=sdot
=
sdotsdot=sdotsdot=
minus
sdot=
minus
sdot
minus
π
λλ
λ
13-1 KB Constante de Boltzmann (1380 6505(24) times 10-23 JmiddotK-1 h Constante de Plank (6626 0693(11) times 10-34 Jmiddots) c Velocidad de la luz (299 792 458 mmiddots-1) El resultado de la ecuacioacuten 13-1 se refleja en la curva con aacuterea amarilla (1) de la Figura 132 que es la distribucioacuten en el espectro de frecuencias o de longitud de onda de la radiacioacuten solar fuera de nuestra atmoacutesfera La curva 2 en la misma imagen muestra la radiacioacuten solar en la superficie terrestre y evidencia la atenuacioacuten que se producen en ciertas longitudes de onda producto de la resonancia a nivel molecular de ciertos gases (Ozono vapor de agua Oxigeno etc) presentes en la atmoacutesfera [4] [Nar00]
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
10
Figura 132 Radiacioacuten solar extraterrestre y radiacioacuten solar en la superficie terrestre[4]
La radiacioacuten solar en la superficie terrestre se descompone normalmente en tres factores que a continuacioacuten se describen Radiacioacuten Directa Es la radiacioacuten solar que llega a la superficie terrestre en forma de rayos de luz directamente desde el Sol como lo muestra la Figura 133 En este caso influyen principalmente el valor de la constante solar el aacutengulo del sol sobre el horizonte (h) y la transparencia atmosfeacuterica
Figura 133 radiacioacuten Directa [4]
Radiacioacuten Difusa Es la radiacioacuten solar que proviene de todo el cielo excluyendo el disco solar Esta se produce por fenoacutemenos de difraccioacuten dispersioacuten y reflexioacuten de la luz en los gases atmosfeacutericos y estaacute presente tambieacuten en diacuteas despejados Los factores que influyen principalmente son [Nar00]
bull La altura del Sol sobre el horizonte a mayor altura mayor radiacioacuten difusa bull Cantidad de partiacuteculas en suspensioacuten en el ambiente bull Nubosidad bull Altura sobre el nivel del mar Disminuye la radiacioacuten difusa al aumentar la
altitud
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
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1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
11
Radiacioacuten Global Es toda la radiacioacuten que llega sobre un aacuterea de la superficie terrestre Normalmente se considera soacutelo la radiacioacuten directa y la radiacioacuten difusa pero tambieacuten puede considerarse la radiacioacuten reflejada en el suelo El aporte de cada componente depende de las condiciones atmosfeacutericas y la altura del Sol principalmente En una celda fotovoltaica este es el paraacutemetro importante a considerar Se puede expresar la radiacioacuten global por la ecuacioacuten 13-2 [Nar00]
flejadaDifusaDirectaGlobal RadRadRadRad Re++= 13-2
Es bueno aclarar que ldquoRadiacioacutenrdquo es un teacutermino geneacuterico Para utilizar teacuterminos exactos se definen Irradiancia Densidad de potencia incidente sobre una superficie medida en [Wm2] Irradiacioacuten Cantidad de energiacutea incidente en una superficie Se mide en [WHrm2]
Figura 134 Diagrama de radiacioacuten global desde el antildeo 2006 a la fecha [1]
La Figura 134 muestra los niveles de radiacioacuten global mensual desde el antildeo 2006 hasta abril del antildeo 2008 En el graacutefico se ve la energiacutea mensual por unidad de aacuterea en [MJm2] esto es la cantidad de energiacutea que llegoacute a la superficie terrestre en la zona de Valparaiacuteso por mes el antildeo 2007 seguacuten las mediciones del Laboratorio de Evaluacioacuten Solar de la Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea Como se puede observar en el graacutefico puede haber veranos o inviernos de mayor o menor radiacioacuten solar dependiendo de las variables climaacuteticas locales del sector donde se efectuacutea la muestra Por simple experiencia se puede corroborar que en las ciudades de Vintildea del mar y Valparaiacuteso suelen haber semanas o incluso meses con una densa nubosidad estancada por los cerros que rodean estas ciudades mientras en la misma latitud pero en los valles del interior prevalece una alta presioacuten y cielos despejados
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
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Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
12
1313 Paraacutemetros Fiacutesicos de una Celda Fotovoltaica
Las Celdas Fotovoltaicas CFV de aquiacute en adelante son dispositivos semiconductores de estado soacutelido que convierten la energiacutea de los fotones en energiacutea eleacutectrica Este fenoacutemeno es conocido como ldquoEfecto Fotoeleacutectricordquo y fue descubierto en 1839 por el fiacutesico franceacutes Edmond Becquerel al notar que ciertos materiales produciacutean una pequentildea corriente al ser expuesto a la luz En 1905 Albert Einstein publica un trabajo donde describe la naturaleza de la luz y explica el efecto fotoeleacutectrico trabajo por el cual obtiene el premio Nobel de fiacutesica antildeos maacutes tarde El primer moacutedulo fotovoltaico fue construido por los laboratorios Bell en 1954 pero no comenzoacute a utilizarse esta tecnologiacutea sino hasta la deacutecada del 60 con el inicio de la carrera espacial [2] En la actualidad existen al menos tres clases comunes de CFV a disposicioacuten del mercado y se dividen seguacuten su composicioacuten cristalina De menor a mayor orden de eficiencia se encuentran las amorfas donde el silicio no se ha cristalizado las policristalinas que estaacuten formadas por pequentildeas partiacuteculas cristalizadas y las monocristalinas que se componen de un uacutenico cristal de silicio Estas uacuteltimas pueden alcanzar una eficiencia de hasta un 20 mientras que las primeras con suerte superan el 5 de eficiencia las policristalinas y el 1 las amorfas [3] Seguacuten la teoriacutea cuaacutentica la luz se comporta como onda y partiacutecula Las partiacuteculas son denominadas fotones y tienen cierta cantidad de energiacutea directamente proporcional a la frecuencia de la onda como se ve en la ecuacioacuten 13-3
νsdot= hE fotoacuten 13-3 Donde ν es la frecuencia de la onda electromagneacutetica y h es la constante de Planck Cuando un fotoacuten impacta con un electroacuten puede suceder que el uacuteltimo salga de su oacuterbita en torno al nuacutecleo si la energiacutea que recibe del fotoacuten es suficiente Si asiacute sucede ese electroacuten generaraacute un corriente en una celda fotovoltaica pero si la energiacutea del fotoacuten es insuficiente o el impacto no es completo el electroacuten seguiraacute en su oacuterbita La celda fotovoltaica estaacute formada por una capa de silicio dopado con foacutesforo (lado negativo) y otra de silicio dopado con boro (lado positivo) como se ve en la Figura 135 Cuando este dispositivo semiconductor se expone a la luz solar los fotones incidentes remueven electrones del semiconductor tipo n (silicio dopado con foacutesforo) La uacutenica condicioacuten para que esto suceda es que los fotones incidentes deben tener una energiacutea mayor a 123 [eV] (1000 [nm]) para poder remover un electroacuten en este tipo de CFVs Fotones con energiacutea menor al umbral no produciraacuten corriente por lo que la luz en la zona del espectro infrarrojo no es uacutetil Los electrones removidos son atraiacutedos hacia el material tipo p (silicio dopado con boro) creando asiacute una corriente que fluye a traveacutes de la carga [3]
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Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
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1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
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Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
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132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
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Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
13
Figura 135 Diagrama de una Celda Fotovoltaica tiacutepica [3]
En la Figura 136 se muestra la sensitividad en relacioacuten al largo de onda de una celda fotovoltaica de silicio monocristalino estaacutendar El ancho de banda de esta celda va desde los 400 [nm] (31 [eV]) hasta los 1000 [nm] (123 [eV]]) al 80 de respuesta de conversioacuten de energiacutea
Figura 136 Respuesta en frecuencia de una Celda Fotovoltaica estaacutendar [3]
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
14
1314 Paraacutemetros Eleacutectricos de una Celda Fotovoltaica
A continuacioacuten se presenta un diagrama eleacutectrico equivalente de una celda fotovoltaica estaacutendar La luz estimula a la fuente de corriente GL la cual genera la corriente de carga La resistencia interna de la CFV estaacute representada por RS mientras que RL es la carga
Figura 137 Circuito equivalente de una Celda Fotovoltaica estaacutendar
La CFV genera un flujo de corriente al ser expuesta a la luz Si la carga es un corto circuito la corriente que genera es la corriente maacutexima o ISC Cuando la carga es una resistencia por ejemplo habraacute un voltaje entre sus bornes lo cual produciraacute una corriente en sentido inverso a ISC conocida como corriente oscura o IDark la cual depende directamente del voltaje en la carga y circula por el diodo en paralelo que se muestra en el diagrama del circuito equivalente Este diodo corresponde a la unioacuten p-n del silicio dopado con boro y foacutesforo Dado que la juntura p-n de la CFV forma un diodo la corriente oscura se representa por la ecuacioacuten de la corriente en un diodo ideal a saber
)()( 10
minussdot= TKqV
DarkBeIVI 13-4
KB es la Constante de Boltzmann y T es la temperatura en grados Kelvin Luego como es natural la corriente en la carga es praacutecticamente la suma de IL e ID lo cual da la curva caracteriacutestica que se muestra en la Figura 7
)()( 10
minusminus= TKqV
SCLBeIIVI 13-5
La Figura 138 muestra las curvas de corriente-voltaje de la celda fotovoltaica que se utiliza en este proyecto sometida a distintos niveles de radiacioacuten solar En el caso de mayor radiacioacuten la corriente de corto circuito tiene un valor aproximado de 70 [mA] y el voltaje en circuito abierto es de unos 45 [V]
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
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Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
15
Figura 138 Caracteriacutestica Corriente-Voltaje de la CFV utilizada en este proyecto
La Figura 139 muestra las curvas de potencia que entrega la CFV utilizada en este proyecto en funcioacuten del voltaje de operacioacuten Se puede observar que hay un punto marcado en estas curvas donde la potencia que entrega la CFV es maacuteximo El punto de maacutexima potencia conocido como MPP por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point) se encuentra en 33 [V] en el caso de maacutexima radiacioacuten incidente y se extiende hasta 36 [V] a medida que disminuye la radiacioacuten A partir de los graacuteficos de corriente en funcioacuten del voltaje y potencia en funcioacuten del voltaje que se muestran en este capitulo se tienen los siguientes datos
[ ]
][33
][65
][212
][54
70
VV
mAI
mWP
VV
mAI
MPP
MPP
MPP
CC
OC
asymp
asymp
asymp
asymp
asymp
13-6
El aacuterea de la celda es de 26 [cm2] A=2610
-3 [m
2] Con estos datos se puede calcular la
eficiencia de la CFV que se utiliza seguacuten la siguiente ecuacioacuten que relaciona la potencia de la radiacioacuten solar al momento de la medicioacuten la potencia maacutexima que entrega la CFV y su aacuterea
6511=
sdot=
η
ηMPP
radSolar
P
AP
13-7
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
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Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
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Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
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Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
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133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
16
Figura 139 Caracteriacutestica Potencia-Voltaje de la CFV utilizada
1315 Comentarios
En base al anaacutelisis explicado y a las curvas de funcionamiento de la Celda Fotovoltaica utilizada se puede establecer los siguientes puntos
bull En un diacutea completamente nublado la potencia de radiacioacuten solar que recibe la CFV puede llegar a los 100 [Wm2] con lo cual el sistema puede obtener unos 26 [mW] y operar a un ciclo de trabajo de hasta un 30 sin necesidad de utilizar las bateriacuteas durante el diacutea
bull El punto de maacutexima potencia de la celda fotovoltaica se encuentra entre 33 y 36 [V] El voltaje de operacioacuten de la CFV es el voltaje al cual estaacuten cargados los condensadores maacutes el voltaje en el diodo que previene la descarga (D1 en el esquemaacutetico del sistema) por lo que una buena medida es hacer que la CFV trabaje la mayor parte del tiempo en la zona mencionada
17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
27
tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
28
Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
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231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
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232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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17
132 Los Suacuteper Condensadores
1321 Introduccioacuten
Figura 1310 Los Suacuteper Condensadores y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Primaria
Los suacuteper condensadores tambieacuten conocidos como ultracapacitores o EDLCs (Electrochemical Double Layer Capacitor) son condensadores electroquiacutemicos similares a los electroliacuteticos pero con una capacidad de almacenamiento de energiacutea de varios ordenes de magnitud superior Existen suacuteper condensadores de hasta 5000 [F] y con una capacidad de almacenar hasta 5063 [Whr] [5] El efecto por el cual funciona un suacuteper condensador fue descubierto en 1957 por ingenieros de General Electric quienes experimentaban con electrodos de carboacuten poroso Descubrieron que este material teniacutea como particularidad una ldquocapacitancia excepcionalmente altardquo [Sch07] sin embargo no continuaron con la investigacioacuten Fue en 1966 cuando la compantildeiacutea Standard Oil of Ohio investigaba sobre el disentildeo de celdas de combustible y redescubrioacute accidentalmente el fenoacutemeno en el carboacuten poroso Aquel disentildeo utilizaba dos capas de carboacuten activado separadas por una delgada capa aislante y es la base de los suacuteper condensadores como se conocen hoy en diacutea [Sch07]
1322 Teoriacutea del funcionamiento de un Suacuteper Condensador
La capacidad de un condensador estaacute determinada por tres factores principales a saber el aacuterea de los electrodos la distancia de separacioacuten entre estos y la constante dieleacutectrica del material que los separa Un condensador electroliacutetico convencional almacena carga entre sus electrodos dispuestos como placas paralelas Para aumentar la capacitancia de estos se puede por ejemplo aumentar la superficie de las placas usando maacutes cantidad de material o daacutendole cierta textura rugosa Las placas paralelas estaacuten separadas por un material dieleacutectrico comuacutenmente polyester papel o ceraacutemica Mientras menor sea el espesor del dieleacutectrico mayor seraacute la capacidad de almacenamiento de energiacutea para un mismo volumen [6] Claramente las caracteriacutesticas de los condensadores convencionales presentan importantes limitaciones espaciales para lograr altas capacidades de almacenamiento de carga eleacutectrica
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
18
Al construir los electrodos con carboacuten tratado quiacutemicamente se logra obtener un material poroso parecido a una esponja con lo cual se obtiene hasta 100000 veces maacutes superficie de contacto que con un material liso [Sch07] logrando una sorprendente aacuterea de 2000 [m2] por gramo [6] El material dieleacutectrico ocupa los espacios internos del carboacuten poroso por lo que las cavidades deben tener al menos un tamantildeo mayor al de los iones del material electroliacutetico sin embargo dado el tipo de material que se utiliza estos iones tienen un tamantildeo aproximado de 10 [Ǻ] tamantildeo mucho menor al que se necesitariacutea si se utilizara un dieleacutectrico de condensadores estaacutendar [6] Como una tercera caracteriacutestica se tiene que los suacuteper condensadores funcionan en dos capas esto es que la energiacutea no se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre sus dos electrodos como en un condensador estaacutendar sino que se almacena en el campo eleacutectrico que se forma entre la superficie de cada electrodo con los iones del material dieleacutectrico tanto en el electrodo positivo como en el negativo Ambos electrodos estaacuten separados por un material semipermeable que hace que no se produzca un cortocircuito entre los electrodos pero deja pasar los iones del material electroliacutetico Al observar la Figura 1313 se puede tener una imagen maacutes clara del fenoacutemeno
Figura 1311 Comparacioacuten entre diagrama interno de un condensador convencional y un suacuteper
condensador
Es preciso sentildealar que tanto el proceso de carga como de descarga de un suacuteper condensador no involucra reacciones quiacutemicas por cuanto es un proceso altamente reversible y esto permite cargar y descargar por lo menos unas 500000 veces sin que se perjudique el rendimiento del dispositivo [6] Actualmente las investigaciones se centran en utilizar nanotubos de carbono para aumentar auacuten maacutes la superficie de cada electrodo En este caso los electrodos se pareceriacutean maacutes a una brocha que a una esponja y se lograriacutea obtener una capacidad auacuten mucho mayor Para tener una idea los suacuteper condensadores con carboacuten poroso logran almacenar aproximadamente un 5 de la energiacutea que es capaz de almacenar una bateriacutea quiacutemica del mismo volumen Utilizando nanotubos de carbono se calcula que se lograriacutea almacenar entre un 25 y un 50 de la energiacutea de una bateriacutea del mismo tamantildeo Otra ventaja que presenta el uso de nanotubos de carbono es que la estructura de estos los hace menos reactivos quiacutemicamente con lo cual se podriacutea obtener voltajes mayores que con el carboacuten activado Y auacuten maacutes dependiendo de la geometriacutea de los nanotubos algunos de ellos se comportan como suacuteper conductores eleacutectricos lo que significa una reduccioacuten importante en la resistencia interna del dispositivo y por ende mayor disponibilidad de potencia
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
19
Figura 1312 Diagrama de un suacuteper condensador compuesto en base a nanotubos de carbono y
fotografiacutea microscoacutepica de un electrodo compuesto de nanotubos de carbono [Sch07]
1323 Almacenamiento de Energiacutea
La Figura 1313 muestra una relacioacuten entre las distintas tecnologiacuteas existentes en el mercado para almacenar energiacutea y compara la densidad de energiacutea almacenada la densidad de potencia y el tiempo de carga Seguacuten esta comparacioacuten los suacuteper condensadores tienen una capacidad de almacenamiento de energiacutea de 10 a 1000 veces superior que los condensadores convencionales manteniendo praacutecticamente la misma densidad de potencia Esto quiere decir que un suacuteper condensador tiene praacutecticamente la misma curva de carga y descarga y puede entregar tanta potencia en un peak de corriente como un condensador normal pero con una cantidad de energiacutea muy superior Si lo comparamos con las bateriacuteas recargables vemos que estas tienen una densidad de energiacutea entre 1 y 500 veces superior pero su densidad de potencia es de entre 1 a 3 ordenes de magnitud inferior [6] Dadas estas caracteriacutesticas teacutecnicas es que los suacuteper condensadores se utilizan habitualmente en aparatos que necesitan alta potencia inicial como el encendido de motores eleacutectricos flashs almacenamiento de energiacutea para usos en telecomunicaciones equipos portaacutetiles requerimientos de apagado suave o simplemente como fuente de alimentacioacuten en equipos de bajo consumo [6] A continuacioacuten se presenta una tabla [Pal03] de comparacioacuten entre suacuteper condensadores de distintos proveedores y una bateriacutea de iones de litio de 4 [Ah] con el fin de tener una idea de las capacidades de almacenamiento de energiacutea de densidad de potencia costo y dimensiones fiacutesicas de estos componentes Tabla 132-1 Comparacioacuten de paraacutemetros de almacenamiento de distintos proveedores de suacuteper condensadores y relacioacuten con una bateriacutea recargable de ion- Litio de 4 Ah [Pal03]
Suacuteper condensadores Energiacutea
[KJ] Densidad Energiacutea [Whr]
Densidad Potencia [WKg]
Costo [US$]
Volumen [cm3]
Peso [Kg] ESR [mΩ]
US$Wh
Maxwell [6] 0031 004 1500 10 38 00064 130 250 Matsuchita[7] 0021 0006 769 - 31 0006 125 - EPCOS [8] 0031 004 1900 - 32 00064 110 - Bateriacutea Li-ion 4 Ah
2045 568 lt1000 150 246 039 500 264
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
20
Figura 1313 Relacioacuten de capacidad de distintas tecnologiacuteas de almacenamiento de energiacutea [6]
1324 Aplicacioacuten de los Suacuteper Condensadores al Sistema En este proyecto los suacuteper condensadores son utilizados como tampoacuten para el almacenamiento de energiacutea a partir de la celda fotovoltaica Este moacutedulo ha sido denominado Buffer Primario por cuanto es la fuente de alimentacioacuten principal del sistema y soacutelo deja de utilizarse en el caso en que su voltaje ya no sea suficiente para mantener el conversor DC-DC en funcionamiento estable El argumento para tener una fuente primaria que utilice suacuteper condensadores es que estos pueden ser recargados maacutes de 500000 veces (y hasta maacutes de un milloacuten) sin ver afectado su rendimiento a diferencia de las bateriacuteas recargables de cualquier tipo cuya vida uacutetil depende principalmente de la cantidad de ciclos de recarga y de la manera de efectuar la carga Ademaacutes los suacuteper condensadores utilizados permiten pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas a un ciclo de trabajo de hasta un 2 Sin este Buffer Primario el sistema tendriacutea que operar utilizando las bateriacuteas cada vez que la luz incidente sea tan baja como para que la CFV no proporcione la energiacutea necesaria para la operacioacuten del mote y recargar las bateriacuteas cuando sea posible Este tipo de operacioacuten hace uso directo de la cantidad de ciclos de recarga que poseen las bateriacuteas recargables y no seriacutea confiable despueacutes de un antildeo por el deterioro de su calidad Contar con un Buffer Primario a partir de suacuteper condensadores permite hacer un uso maacutes inteligente de la energiacutea estableciendo periacuteodos de carga de las bateriacuteas determinar el ciclo de trabajo en funcioacuten de la energiacutea almacenada en el Buffer Primario amortiguar efectos de nubes u objetos que tapen temporalmente la radiacioacuten solar etc [Pal03] La curva de operacioacuten del buffer primario es normalmente como se ve en la Figura 1314 la cual muestra una medicioacuten de cuatro diacuteas consecutivos a un ciclo de trabajo del 1 La curva azul es el voltaje en los condensadores y la liacutenea colorada muestra el estado del sistema Cuando estaacute en el valor alto el sistema funciona utilizando la energiacutea almacenada en los suacuteper condensadores y cuando esta en el valor cero el sistema funciona utilizando la energiacutea de las bateriacuteas En este caso el umbral de descarga de los suacuteper condensadores estaacute en 13 [V] pero la aplicacioacuten final utiliza este umbral en 09 [V] lo que le permite trabajar hasta a 2 sin hacer uso de las bateriacuteas
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
27
tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
28
Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
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231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
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232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
21
Figura 1314 Curva de operacioacuten del buffer primario en cuatro diacuteas consecutivos de
funcionamiento
Durante los dos primeros diacuteas y una fraccioacuten del tercero se puede ver que el voltaje en los condensadores oscila durante las horas de sol Esto se debe a que en esos momentos el sistema aprovecha la energiacutea de sobra del buffer primario para recargar las bateriacuteas traspasando la energiacutea del buffer primario al buffer secundario hasta cierto umbral de descarga de los condensadores Sin embargo en el tercer diacutea se detiene la carga de las bateriacuteas ya que se detectoacute que estas estaban cargadas a un 100 Tambieacuten se ve que en la tercera y cuarta noche soacutelo se utilizo el buffer primario lo cual implica que las bateriacuteas no se estaacuten utilizando y por lo tanto aumenta su vida uacutetil al no hacer uso de sus ciclos de recarga en largos periodos De todas maneras al aumentar el ciclo de trabajo se hace absolutamente necesario utilizar las bateriacuteas durante parte de la noche pero praacutecticamente nunca de diacutea lo que de todas maneras significa una mejora en la distribucioacuten del uso de la energiacutea y mayor durabilidad de las bateriacuteas
1325 Comentarios
El uso de suacuteper condensadores en el circuito disentildeado como fuente de energiacutea hibrida para nodos de redes inalaacutembricas de sensores merece los siguientes comentarios
bull En el mercado existe un amplio rango de suacuteper condensadores que podriacutean ser utilizados en este disentildeo Sin embargo debe considerarse que si bien el tiempo que es capaz de funcionar el sistema sin utilizar las bateriacuteas ndashde noche por ejemplo- aumenta con suacuteper condensadores de mayor capacitancia tambieacuten aumenta el tiempo que toma en cargar a partir de la energiacutea solar Esto implica un mayor tiempo de funcionamiento de la celda fotovoltaica fuera del rango de maacutexima potencia y se torna especialmente criacutetico los diacuteas que amanece muy nublado
bull Si bien los suacuteper condensadores utilizados se escogieron en base a un estudio comparativo sobre sus corrientes de fuga [Jia05] un criterio maacutes adecuado seriacutea la maximizacioacuten de los paraacutemetros sentildealados en el punto anterior esto es tiempo de carga en un diacutea nublado y tiempo capaz de mantener el sistema en funcionamiento sin utilizar las bateriacuteas en funcioacuten del ciclo de trabajo Otros paraacutemetros limitantes son tamantildeo y costo
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
29
Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
22
133 Las Bateriacuteas Recargables
1331 Introduccioacuten
Celda
FotovoltaicaFuente
Primaria
Fuente
Secundaria
Nodo RSI
Controlador
Figura 1315 Las Bateriacuteas Recargables y su uso como Fuente de Alimentacioacuten Secundaria
Las bateriacuteas recargables son dispositivos capaces de almacenar energiacutea en reacciones electroquiacutemicas reversibles es decir cuyos componentes no se consumen sino que se transforman liberando o recibiendo corriente eleacutectrica Se presentan como una tecnologiacutea relativamente madura [Rag05] y una de las alternativas de almacenamiento de energiacutea con mejor relacioacuten costo eficiencia [Pal03] Como se muestra en el capiacutetulo anterior en la Figura 1313 las bateriacuteas recargables son de las tecnologiacuteas que permiten mayor almacenamiento de energiacutea y a costos muy inferiores en comparacioacuten a las celdas de combustible Aunque su densidad de potencia es notablemente menor que la de los condensadores esto no implica que no sean uacutetiles en dispositivos portaacutetiles de consumo prolongado tales como caacutemaras fotograacuteficas teleacutefonos celulares etc En el mercado existen al menos cinco tipos diferentes de bateriacuteas recargables principalmente las basadas en litio Ion-Litio (Li +) y Poliacutemero-Litio (Li-Poli) las basadas en Niacutekel Niacutekel-Cadmio (NiCd) y Niacutekel-Hidruro Metaacutelico (Ni MH) y las de aacutecido-plomo Estas uacuteltimas no son de tamantildeo portaacutetil debido a su baja densidad de energiacutea comparativa y se suelen utilizar en sistemas de mediana y alta potencia por lo que no entraraacuten en este estudio Las bateriacuteas de NiCd se encuentran cada vez maacutes en desuso debido principalmente a su relativa baja densidad de almacenamiento de energiacutea y al llamado efecto memoria[Rag05] fenoacutemeno que se estudiaraacute al final de este capiacutetulo
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1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
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Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
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MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
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Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
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52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
23
1332 Comparacioacuten de las Tecnologiacuteas Existentes en Bateriacuteas Recargables Portaacutetiles
De las bateriacuteas recargables existentes en el mercado y que son aplicables al disentildeo del sistema en estudio soacutelo quedan las bateriacuteas de NiMH y las basadas en Litio (Li +) y (Li-Poli) Ambas bateriacuteas basadas en Litio tienen similares caracteriacutesticas por lo que seraacuten tratadas como un solo grupo [Rag05] De manera general se puede afirmar que las bateriacuteas de Li-Ion son maacutes eficientes que las NiMH pero son de mayor costo y lo maacutes importante requieren de un circuito de carga maacutes complejo y no es posible cargarlas a bajas corrientes por lo que su uso queda un poco restringido para el caso de estudio A continuacioacuten se presenta una tabla comparativa de las ventajas y desventajas que poseen estas tecnologiacuteas Tabla 133-1Comparacioacuten de ventajas y desventajas de las bateriacuteas recargables aplicables al sistema
Ventajas
NiMH [9] Li-Ion
bull Larga vida uacutetil maacutes de 400 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial de la bateriacutea a tan soacutelo un 80
bull Entre 500 y 1000 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Larga Vida uacutetil maacutes de 500 ciclos de recarga degradan la capacidad inicial a tan solo un 80
bull Unos 1200 ciclos de recarga (maacuteximo)
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull Alta Confiabilidad Robustez eleacutectrica
bull No contiene materiales toacutexicos bull No contiene materiales toacutexicos bull Amplio rango de temperatura de
trabajo -20degC a 60degC bull Requiere un circuito de carga
simple soacutelo corriente constante
bull Amplio rango de temperatura de trabajo -30degC a 60degC
bull Alta densidad de energiacutea alrededor de 250-530 [WhL] 150-200 [WhKg]
bull Se descarga entre 5 y 10 mensual
Desventajas
bull Menor densidad de Energiacutea 140ndash300 [WhL] 30-80 [WhKg]
bull Se descarga alrededor de un 30
mensual
bull Requiere de un circuito de carga complejo (Carga por pulsos)
bull Se requiere de relativamente alta corriente para efectuar la carga [Rag05]
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
24
Dadas las caracteriacutesticas expuestas en la tabla precedente y sobre todo por las desventajas de las bateriacuteas de Li+ sentildealadas es que se optoacute por utilizar en este proyecto las bateriacuteas de NiMH Ademaacutes aunque la densidad de energiacutea de las bateriacuteas NiMH es menor a las de Li+ es ampliamente suficiente para la aplicacioacuten en estudio
1333 Teoriacutea del Funcionamiento de las Bateriacuteas Recargables Ni-MH
Como ya se mencionoacute de manera general las bateriacuteas recargables de NiMH al igual que cualquier otro tipo de bateriacuteas recargables funciona bajo el principio de almacenar energiacutea en una reaccioacuten electroquiacutemica reversible entregando o recibiendo corriente eleacutectrica seguacuten sea el caso y sin consumir los compuestos quiacutemicos internos en este proceso Las reacciones quiacutemicas que ocurren al interior de una bateriacutea Ni-MH se pueden separar en dos reacciones de distinta naturaleza que ocurren una en el electrodo positivo y la otra en el negativo La reaccioacuten que ocurre en el electrodo positivo tiene relacioacuten con absorber o liberar un electroacuten seguacuten sea el caso de carga o descarga como se muestra en la ecuacioacuten 13-8
)arg()(
)arg()(
22
22
adescladuranteOHOHNieOHNiOOH
acladuranteeOHNiOOHOHOHNi
minusminus
minusminus
+gtminusminusminus++
++gtminusminusminus+ 13-8
El Ni(OH)2 y el NiOOH son un par reversible desde el punto de vista electroquiacutemico En el proceso de carga la energiacutea eleacutectrica proveniente de una fuente externa es almacenada como energiacutea quiacutemica en la celda convirtiendo el elemento Ni(OH)2 de menor energiacutea en NiOOH de mayor energiacutea Durante la descarga ocurre el mismo proceso en sentido inverso liberaacutendose un electroacuten en la transformacioacuten que sufren los compuestos quiacutemicos Mientras tanto en el electrodo negativo se produce la liberacioacuten o absorcioacuten de un aacutetomo de hidroacutegeno de tal manera que en el proceso completo no se produce nunca hidroacutegeno gaseoso y asiacute no se producen cambios significativos en la presioacuten interna de la bateriacutea La ecuacioacuten 13-9 describe este proceso
)arg(
)arg(
2
2
adescladuranteeOHMOHMH
acladuranteOHMHeOHM
minusminus
minusminus
++gtminusminusminus+
+gtminusminusminus++ 13-9
En la ecuacioacuten quiacutemica del electrodo negativo de la bateriacutea M representa la aleacioacuten que almacena a los aacutetomos de hidroacutegeno MH se genera cuando se libera un aacutetomo de hidrogeno por la electrolisis del agua y lo almacena M la aleacioacuten del electrodo negativo Luego durante la descarga ocurre el proceso inverso liberando al aacutetomo de hidroacutegeno el cual vuelve a formar una moleacutecula de agua La aleacioacuten a la que se hace referencia con M estaacute normalmente compuesta por metales de transicioacuten como el titanio y el zirconio conocida como AB2 o bien compuesta por las denominadas tierras raras como el lantano cerio neodimio o praseodimio como elemento A y niacutekel cobalto o manganeso como elemento B de la aleacioacuten denominado AB5 Juntando las dos ecuaciones ya explicadas se obtiene la siguiente reaccioacuten que ocurre durante la carga o la descarga dependiendo del sentido
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
29
Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
25
MHNiOOHMOHNiaC
aDesc
++ lArrrArrarg
arg2)( 13-10
En esta ecuacioacuten quiacutemica que reuacutene las dos anteriores soacutelo se trata de una simple transferencia de un aacutetomo de hidroacutegeno entre Ni(OH)2 y M dependiendo si se trata del proceso de carga o de descarga [Cha02] [10] Hasta aquiacute se han presentado las principales reacciones que ocurren en el interior de una celda de NiMH durante la carga y descarga Sin embargo cuando la bateriacutea se aproxima a un estado de full carga se comienza a generar reacciones con el oxigeno que pueden causar dantildeos irreversibles en las bateriacuteas si es que no son previstos Esta reaccioacuten se produce en el electrodo positivo generando oxigeno gaseoso que se recombina en el electrodo negativo La ecuacioacuten quiacutemica siguiente presenta la generacioacuten de oxigeno gaseoso a partir de la electrolisis del OH
minusminus ++gtminusminus eOHgOOH 42)(4 22 13-11 En el electrodo negativo la recombinacioacuten del oxigeno gaseoso ocurre simultaacuteneamente de dos formas
minusminus gtminusminus++
+gtminusminus+
OHeOHO
OHMOMH
442
244
22
22 13-12
La primera ecuacioacuten representa la recombinacioacuten directa del Oxigeno gaseoso con el MH que estaacute presente de sobra en el electrodo negativo La segunda ecuacioacuten es el proceso inverso de la electrolisis inicial que produjo el oxigeno gaseoso en el electrodo positivo El resultado de estas dos ecuaciones es que el oxigeno gaseoso producido en el electrodo positivo es ampliamente absorbido por el electrodo negativo previniendo el exceso de presioacuten interna de la bateriacutea que podriacutea resultar en dantildeos durante el proceso de carga Es por esto que el electrodo negativo debe disentildearse sobredimensionado y el electrodo positivo seraacute siempre la limitacioacuten de la bateriacutea De todas maneras usualmente tambieacuten tienen una vaacutelvula de escape de gas como meacutetodo de prevencioacuten
Figura 1316 Disentildeo de las capacidades de cada electrodo de una bateriacutea NiMH [10]
La Figura 1316 muestra lo expresado anteriormente El exceso de capacidad del electrodo negativo tambieacuten actuacutea como reserva de descarga previniendo que este se oxide en una eventual descarga muy profunda de la bateriacutea A continuacioacuten se presenta un esquema de coacutemo se ordenan los electrodos positivos y negativos al interior de una bateriacutea recargable
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Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
26
Figura 1317 Esquema interno de una bateriacutea recargable de NiMH
Como se puede apreciar en la Figura 1317 los electrodos son laacuteminas que van enrolladas al interior de la bateriacutea y entre estos va una peliacutecula de separacioacuten Algunas bateriacuteas tienen un sistema de precaucioacuten que permite la salida de gases cuando aumenta la presioacuten interna producto de condiciones de operacioacuten muy severas [10]
1334 Carga y Descarga de una bateriacutea de NiMH
La carga es el proceso por el cual se reemplaza la energiacutea que ya ha sido utilizada seguacuten los procesos electroquiacutemicos que se analizaron en el capiacutetulo precedente Para efectuar este proceso es necesario contar con una fuente de energiacutea externa Normalmente se utiliza corriente constante y es necesario determinar cuanta corriente y en que momento detener la carga La determinacioacuten de la corriente de carga depende del tiempo de recarga y de la potencia que se disponga Con un cargador conectado a la red eleacutectrica la potencia no deberiacutea ser un factor determinante La corriente de carga se expresa en fracciones de la capacidad total de la bateriacutea por ejemplo si la capacidad de una bateriacutea es C=2500
[mAhr] la corriente de carga puede ser por ejemplo C C3 C10 esto es 2500 [mA] 830 [mA] oacute 250 [mA] respectivamente
Cuando se introduce una corriente constante a las bateriacuteas el voltaje entre sus bornes comienza a aumentar paulatinamente y tambieacuten lo hace la temperatura aunque de manera maacutes marcada cuando estaacute cercana al 100 de carga El perfil estaacutendar de la curva de carga de una bateriacutea se muestra en la Figura 1318 a distintas corrientes de carga Como se puede apreciar cuando la bateriacutea llega aproximadamente a un 100 de su capacidad se produce un fenoacutemeno en el voltaje entre sus bornes Al principio el voltaje aumenta a una tasa un poco mayor de lo normal para luego descender Esta disminucioacuten del voltaje puede ser de entre 0 y 15 [mV] por celda e indica cuando es necesario detener la carga para no dantildear la bateriacutea Sobrepasar el 100 de capacidad estaacute permitido siempre que sea a una baja corriente de carga y no maacutes del 120 esto permite finalizar el proceso obteniendo la maacutexima capacidad que es capaz de entregar la bateriacutea Una opcioacuten maacutes recomendable para no sobrecargar la bateriacutea es detener el proceso cuando ∆V=0 ya que la disminucioacuten del voltaje es muy pequentildea y depende
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tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
27
tambieacuten de la corriente que se esteacute utilizando Como se ve en la figura indicada a una corriente de 01C praacutecticamente no hay disminucioacuten del voltaje Este meacutetodo descrito se utiliza ampliamente en los cargadores de bateriacutea de NiCd ya que en aquellas bateriacuteas este fenoacutemeno es mucho maacutes marcado y confiable [9] [10]
Figura 1318 Curva de Carga de una bateriacutea NiMH Voltaje [V] y Temperatura [degC]
en funcioacuten del de Carga para tres magnitudes de corriente (01C 05C y 1C)
Otro fenoacutemeno que ocurre al completar la carga es el aumento de la temperatura de las bateriacuteas debido principalmente a que se produce un exceso en la capacidad de recombinacioacuten del oxigeno en el electrodo negativo sobre todo a altas corrientes de carga Esto hace que aumente un poco la presioacuten y ademaacutes es un proceso exoteacutermico motivo por el cual aumenta la temperatura Los dos fenoacutemenos que se han descrito sirven de referencia para determinar el momento de detener la carga Los cargadores de bateriacuteas utilizan uno de estos meacutetodos o una combinacioacuten de ambos analizando voltaje y temperatura o sus derivadas respecto al tiempo Respecto de la corriente que se utilice para efectuar la carga se puede utilizar una de las opciones que se muestran en la Tabla 133-2 u otras respetando la loacutegica del proceso La carga por goteo puede ser utilizada despueacutes de cualquier meacutetodo escogido para efectuar la recarga o en aplicaciones que requieran mantener las bateriacuteas en un estado de carga alto En siacutentesis lo recomendable seraacute jamaacutes sobrecargar las bateriacuteas pues esto afecta su vida uacutetil Para lograrlo se debe aplicar alguno de los meacutetodos revisados utilizando los consejos de la Tabla 133-2 Es recomendable efectuar la recarga a temperaturas de entre 15 y 30 [degC] mas el umbral permitido estaacute entre -20 y 60 [degC]
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Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
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Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
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Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
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utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
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134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
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se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
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fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
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Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
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2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
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Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
28
Tabla 133-2 Meacutetodos aconsejables de carga de una bateriacutea NiMH
Corriente de Carga Meacutetodo de Detencioacuten Terminacioacuten del Proceso Carga muy Raacutepida (asymp 1 Hora) 1C ndash 05C
Voltaje ∆V= -5 -10 [mV] Temperatura ∆Tdt = 1 [degCmin] Corte en 60 [degC]
Es recomendable terminar el proceso de carga con una corriente C10 por 30 minutos
Carga Raacutepida (asymp 4 Horas) C3
Voltaje ∆V= -10 [mV] por celda Temperatura Corte en 60 [degC]
Tiempo Corte en 36 [Hr]
No es necesario aplicar un proceso de terminacioacuten de carga sin embargo se puede utilizar una corriente de C300 por un tiempo indefinido
Carga Lenta (asymp 12 Horas) C10
Tiempo Corte en 12 [Hr] Temperatura oacuteptima 15 ndash 30 [degC]
C300 por tiempo indefinido
Carga por Goteo C20 - C300
Voltaje 145 [V] por celda Innecesario
La descarga de la bateriacutea es el proceso por el cual la energiacutea almacenada es retirada en forma de corriente eleacutectrica hacia alguacuten circuito En teacuterminos generales se puede decir que el voltaje de descarga de una bateriacutea depende de la corriente debido a que el electrodo metaacutelico se polariza proporcional a la corriente y de la temperatura ya que estas bateriacuteas emplean un electrolito acuoso cuya movilidad ioacutenica decrece a bajas temperaturas Actualmente la maacutexima corriente de descarga de estas bateriacuteas es de hasta 3C aunque algunas nuevas tecnologiacuteas permiten corrientes de hasta 10C La capacidad de descarga se mide en funcioacuten del tiempo que es capaz de entregar cierta corriente La corriente de descarga nominal es de 02C finalizando a un voltaje de descarga de 1[V] por celda A continuacioacuten se presentan las curvas de descarga en funcioacuten de la corriente y de la temperatura para las bateriacuteas de NiMH utilizadas
Figura 1319 Curva de Descarga en funcioacuten de la temperatura (a 02C) y de la Corriente
Para casos praacutecticos debe considerarse que para el mismo porcentaje de energiacutea almacenada el voltaje entre los bornes de la bateriacutea es mayor cuando se estaacute cargando o se mantiene sin usar despueacutes de una carga que cuando se le estaacute extrayendo corriente Por esto no es de extrantildear que se produzcan variaciones de voltaje al pasar de un proceso al otro El graacutefico de la Figura 1320 permite visualizar mejor este fenoacutemeno
29
Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
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invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
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55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
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52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
29
Figura 1320 Curva de Carga y Descarga de una Bateriacutea de NiMH
1335 Efecto Memoria Probablemente el tema maacutes recurrente cuando se habla de bateriacuteas recargables es el denominado efecto memoria Este fenoacutemeno es una peacuterdida de capacidad de la bateriacutea producto de reiteradas recargas sin los beneficios de una descarga profunda Esto ocurre debido a que al recargar la bateriacutea sin utilizar su carga completa queda cierta parte de los materiales activos de la bateriacutea que no participan de los procesos electroquiacutemicos y sufren cambios fiacutesicos y un aumento en su resistencia eleacutectrica Como las bateriacuteas parecieran recordar su menor capacidad de descarga a este fenoacutemeno se le denominoacute Efecto Memoria Lo cierto es que este efecto queda relegado a las bateriacuteas de NiCd cada vez menos utilizadas Las bateriacuteas de NiMH no sufren este fenoacutemeno aunque si pueden experimentar peacuterdida de capacidad y de voltaje de descarga que tiene exactamente la misma explicacioacuten dada pero es altamente reversible Este fenoacutemeno se conoce como Depresioacuten de Voltaje Para recuperar una bateriacutea de NiMH que sufra de este efecto basta con un par de ciclos de descarga y recarga profundas esto es descargar hasta 1 [V] por celda y recargar completamente con uno de los meacutetodos descritos en el capiacutetulo correspondiente Con esto se logra recuperar el funcionamiento correcto de las bateriacuteas casi sin perjuicios La Figura 1321 muestra como se produce este efecto y luego como se restablece la capacidad nominal de la bateriacutea En este experimento se procedioacute de la siguiente manera La primera descarga es profunda y luego se carga a 1C de manera completa Desde la descarga 2 hasta la 18 solo se descarga parcialmente hasta 115 [V] en los bornes de la bateriacutea y se carga siempre a 1C de manera completa En estos ciclos de carga ndash descarga parcial se puede observar como la bateriacutea empieza a perder capacidad de almacenamiento de energiacutea llegando al umbral de descarga cada vez en menos tiempo A partir del ciclo 19 hasta el 21 se llevan a cabo ciclos de carga y descarga profundos con lo cual se recupera la capacidad perdida temporalmente por el efecto de
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
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Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
30
Figura 1321 Efecto de la Depresioacuten de Voltaje en las bateriacuteas de NiMH y su recuperacioacuten con descargas y recargas profundas [9]
depresioacuten de voltaje Como se puede observar en las bateriacuteas de NiMH este proceso es ampliamente reversible con unos cuantos ciclos de recarga profundos no asiacute en las bateriacuteas de NiCd por ejemplo donde el efecto memoria es permanente e irreversible
1336 Durabilidad de las Bateriacuteas NiMH
Figura 1322 Peacuterdida de capacidad de una bateriacutea recargable de NiMH [10]
Las bateriacuteas recargables de NiMH asiacute como cualquier bateriacutea recargable tienen una vida uacutetil maacutexima tras la cual se pierden sus caracteriacutesticas irrevocablemente Esto no tiene relacioacuten con el efecto de depresioacuten de voltaje visto anteriormente sino con el desgaste de los materiales activos que la componen La Figura 1322 muestra como una bateriacutea pierde parcialmente su capacidad en funcioacuten del nuacutemero de ciclos de recarga Como se ve en unos 500 ciclos de recarga bien utilizados la capacidad de la bateriacutea disminuye tan soacutelo a un 80 de su capacidad nominal sin embargo puede seguir siendo
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
31
utilizada [9] [10] Se estima que una bateriacutea bien manejada puede ser utilizada por maacutes de 1200 ciclos de manera aceptable para la mayoriacutea de las aplicaciones Para la aplicacioacuten que se estudia en este trabajo esta caracteriacutestica de su vida uacutetil proporciona muchos antildeos de funcionamiento
Figura 1323 Caracteriacutestica de Almacenamiento de
Energiacutea de una bateriacutea NiMH sin utilizar [10]
La Figura 1323 pone en evidencia que las bateriacuteas de NiMH pierden energiacutea cuando no estaacuten siendo utilizadas como ya se mencionoacute en la comparacioacuten entre las diferentes tecnologiacuteas de bateriacuteas recargables A temperatura ambiente se produce una peacuterdida del 30 de la energiacutea almacenada dentro de 30 a 50 diacuteas Aunque esto es claramente una caracteriacutestica negativa de estas bateriacuteas el rango de diacuteas que proporcionan es suficiente para los requisitos de la aplicacioacuten en estudio
32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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32
134 Mecanismo de Control de Cargas
1341 Introduccioacuten
Figura 1324 El Mecanismo de Control de Cargas como parte integrada de un nodo de RSIs
El sistema de control tiene como principal objetivo mantener al nodo de una RSI siempre alimentado ya sea a partir del buffer primario o secundario Los nodos cuentan con un microcontrolador y entradas anaacutelogasdigitales con las cuales es posible recopilar la informacioacuten necesaria para poder decidir sobre el control de las cargas y puertos InputOutput con los cuales es posible ejecutar las decisiones El microcontrolador se encarga de la loacutegica del control en base a un coacutedigo desarrollado especialmente para la aplicacioacuten Los switchs destacados en la Figura 1324 son circuitos en base a transistores Mosfets de canal N y canal P Estos circuitos se analizaraacuten maacutes adelante
1342 Funcionamiento del Controlador El controlador funciona en base a un coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo disentildeado especialmente para esta aplicacioacuten Este coacutedigo necesita de dos entradas que son los voltajes en el buffer primario y secundario y en base a estos datos decide con cual de los buffer alimentar al nodo y si es o no posible y necesario efectuar la recarga de las bateriacuteas utilizando la energiacutea de la celda fotovoltaica y los condensadores Los datos de entrada son recopilados cada 30 segundos por medio de dos de los ocho canales ADC con que cuentan los nodos utilizados La ejecucioacuten de las decisiones tomadas por el microcontrolador se manifiestan por otros dos canales ADC que en este caso son utilizados como canales InputOutput por la configuracioacuten del coacutedigo De aquiacute
33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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33
se obtienen salidas de voltaje de valor ldquoaltordquo o ldquobajordquo esto es 33 [V] oacute 0 [V] respectivamente Con estos voltajes es posible manejar en corte o saturacioacuten unos transistores de tipo mosfet que actuacutean como interruptores Se escogioacute este tipo de transistores pues no necesitan corriente de base sino soacutelo voltaje lo cual constituye un ahorro de energiacutea elemento principal del disentildeo expuesto En su estado inicial con todas las salidas en 0[V] el sistema se alimenta a partir de las bateriacuteas recargables que deberiacutean estar con 100 de carga Esto porque el estado inicial de los condensadores no es necesariamente cargado en este caso no se podriacutea iniciar la operacioacuten del sistema hasta que la luz del sol cargue el buffer primario Por el mismo hecho de que las bateriacuteas debieran ser puestas recieacuten cargadas al iniciar la operacioacuten del sistema es que la opcioacuten de recargarlas comienza deshabilitada con lo cual tambieacuten se elimina la posibilidad de que la energiacutea que provee la celda fotovoltaica pase directamente a recargar las bateriacuteas y se almacene obligatoriamente en el buffer primario con lo cual el sistema comienza a funcionar siempre de manera correcta Estos requisitos de disentildeo son elementales pues si el nodo no tiene alimentacioacuten no puede efectuar el control de las cargas que es lo que sucede apenas se conectan los componentes del sistema La alimentacioacuten del nodo se hace mediante un convertidor DC-DC configurado para mantener una salida constante de 33 [V] en un rango de voltaje de entrada entre 06 y 33 [V] dado que es del tipo Boost o Step-Up La entrada de este convertidor DC-DC estaacute conectada a los condensadores que pueden tener un voltaje maacuteximo de 23 [V] o a las bateriacuteas con un voltaje entre 2 y 29 [V] La recarga de las bateriacuteas se lleva a cabo haciendo pasar la energiacutea almacenada en los condensadores a las bateriacuteas Para esto se utiliza otro convertidor DC-DC el cual eleva el voltaje de los condensadores y una resistencia en serie que determina la corriente de carga constante necesaria para estos efectos seguacuten lo sentildealado en el capiacutetulo 1334
1343 Loacutegica del controlador A continuacioacuten se describe la loacutegica en base a la cual el coacutedigo instalado en el nodo controla las funciones de la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten Se utiliza el ADC0 para muestrear el voltaje de los condensadores y el ADC2 para muestrear el voltaje en las bateriacuteas El ADC1 activa el interruptor que elige cual buffer usar y el ADC3 controla el interruptor que activa la recarga de las bateriacuteas
bull ADC0 Vcond bull ADC1 SwitchAlim bull ADC2 VBatt bull ADC3 SwitchCarga
Los umbrales 1 y 2 deben ser escogidos en base a la curva de potencia de la celda fotovoltaica y a las caracteriacutesticas del convertidor DC-DC En particular el umbral 2 indica hasta que punto pueden descargarse los condensadores y mantener la alimentacioacuten del nodo con un voltaje regulado El umbral 1 debe escogerse en un voltaje mayor que 1[V] miacutenimo voltaje de partida del convertidor DC-DC pero hay que considerar que si se elige muy bajo los condensadores no se alcanzaraacuten a cargar lo suficiente y la curva de la foto celda se encontraraacute en un voltaje donde entrega baja potencia El umbral 3 es el voltaje maacuteximo de los condensadores (23 [V]) y el umbral 4
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
34
fija hasta donde estos se descargaraacuten cada vez que se recarguen las bateriacuteas Se escogioacute Umbral 4 = 2 [V] para que la celda fotovoltaica trabaje entorno a la cresta de la curva de potencia Los umbrales 5 y 6 son escogidos en base a lo que se estudioacute en el capiacutetulo 133 El umbral 5 indica cuando la energiacutea almacenada en las bateriacuteas es muy baja y se establecioacute en 105 [V] por celda y el umbral 6 indica cuando ya no es necesario seguir cargaacutendolas en 145 [V] por celda
Loacutegica del Controlador de Cargas
If Vcond gt Umbral 1
SwitchAlim Condensadores
If Vcond lt Umbral 2
SwitchAlim Bateriacuteas
If Vcond gt Umbral 3
RecargaBatt TRUE
If Vcond lt Umbral 4
RecargaBatt FALSE
If VBatt lt Umbral 5
EnergiacuteaBaja TRUE
If VBatt gt Umbral 6
EnergiacuteaBaja FALSE
If EnergiacuteaBaja = = TRUE and RecargaBatt = = TRUE
SwitchCarga On
Else
SwitchCarga Off
35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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35
Alimentacioacuten Con
Condensadores
(3)
Alimentacioacuten con
Condensadores y
recargando Bateriacuteas
(4)
Alimentacioacuten con
Bateriacuteas
(5)
Start
(1)
If Vc lt 1 V
If Vcond gt 23V
amp
If Recarga = 1
If Vc lt 2V
MONITOREO
(2)
If Vcond gt 18V
Figura 1325 Diagrama de Flujo del Software de Control
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
36
2 Disentildeo El disentildeo de la ldquoFuente de Alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrdquo contempla dos aacutembitos que se complementan En primer lugar estaacute el disentildeo del Hardware o circuito en base a componentes electroacutenicos que transforma la energiacutea solar en energiacutea eleacutectrica la almacena y administra para mantener siempre al nodo alimentado con un voltaje regulado En segundo lugar estaacute el disentildeo del Software o coacutedigo instalado en el microcontrolador del nodo que a su vez proporciona la loacutegica con la que opera el sistema En el disentildeo se debe lograr una complementacioacuten de ambas partes del sistema para obtener como fruto un equipo robusto y eficaz y a la vez lo maacutes eficiente posible
21 Disentildeo Conceptual Una limitacioacuten importante en las aplicaciones de las RSI es la utilizacioacuten de la energiacutea en los nodos Normalmente los nodos se alimentan con un par de bateriacuteas con lo cual tienen una vida uacutetil de aproximadamente un antildeo trabajando a ciclos de trabajo inferiores a 1 [Pal03] [Rag05] Esto tiene una implicancia directa en el tiempo que puede permanecer encendida la radio y esto a su vez limita la versatilidad de la red El disentildeo de este dispositivo tiene como principal objetivo darle mayor versatilidad a las redes inalaacutembricas de sensores poniendo a disposicioacuten de cada nodo una mayor cantidad de energiacutea de tal manera que pueda operar a ciclos de trabajo varias veces mayores y sin la necesidad de hacer un cambio de bateriacuteas cada cierto tiempo Para lograr esto se hace uso de una energiacutea renovable presente praacutecticamente en cualquier parte de la superficie del planeta como lo es la energiacutea solar A partir de la celda fotovoltaica se carga un par de suacuteper condensadores en base a los cuales se alimenta el nodo En las horas de oscuridad o radiacioacuten solar deficiente se hace uso de una fuente de energiacutea secundaria compuesta por bateriacuteas recargables Ademaacutes la fuente de energiacutea secundaria es recargable a partir de la celda solar cuando la radiacioacuten es suficientemente fuerte El disentildeo al cual se hace referencia es el que se presenta en la Figura 121 al principio del primer capiacutetulo En base a este disentildeo se analizan a continuacioacuten los requisitos funcionales del sistema primero de manera global y luego a nivel de cada moacutedulo para pasar a continuacioacuten al disentildeo electroacutenico de cada parte y del conjunto
211 Requisitos Globales de Disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para nodos de RSI
Los requisitos de una fuente de alimentacioacuten en base a energiacutea solar para nodos de RSI pueden resumirse en aumentar la capacidad de gasto de energiacutea operando a tasas de trabajo superiores que las actuales y aumentar el tiempo de vida uacutetil del sistema La siguiente tabla es una recopilacioacuten detallada de los requisitos que debe cumplir el disentildeo de esta fuente en base a las capacidades de los componentes disponibles y las limitaciones de cada caso
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211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
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Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
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22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
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Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
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Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
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222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
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disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
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3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
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la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
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Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
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Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
37
211-1 Requisitos Globales de disentildeo
Requisitos Limitaciones
bull Generar un Voltaje regulado de 33 [V] hasta 100 [mA]
bull Carga de los buffers
bull Aumentar la vida uacutetil sin recambio de bateriacuteas por lo menos a 4 antildeos
bull Manejo de las bateriacuteas bull Radiacioacuten Solar
bull Aumentar la capacidad del ciclo de trabajo a 25 miacutenimo
bull Capacidad del Buffer Primario bull Radiacioacuten Solar
bull Capacidad de recargar las bateriacuteas a partir de la energiacutea solar
bull Radiacioacuten solar
212 Requisitos Funcionales de cada Moacutedulo del Disentildeo
Celda Fotovoltaica Una Celda Fotovoltaica bajo radiacioacuten solar genera corriente en funcioacuten del voltaje entre sus bornes como se explicoacute en el Capiacutetulo 131 Ademaacutes seguacuten sus caracteriacutesticas de construccioacuten poseen cierta eficiencia de conversioacuten de energiacutea La Celda Fotovoltaica que se utilice en este proyecto debe cumplir con los siguientes requisitos funcionales 212-1 Requisitos Funcionales de la Celda fotovoltaica
Requisitos Voltaje en MPP1 26 [V] lt VMPP lt 34 [V] Potencia Miacutenima en MPP a 1000 [Wm2] 200 [mW] Dimensiones Menor o igual 10 [cm] x 6 [cm] Eficiencia miacutenima Monocristalina de 15 Buffer Primario El Buffer primario es donde se almacena la energiacutea que provee la celda solar Tiene como objetivo proveer energiacutea para la alimentacioacuten del nodo RSI en las horas de baja o nula radiacioacuten solar asiacute como de amortiguar los transientes de consumo de potencia y radiacioacuten solar 212-2 Requisitos Funcionales del Buffer Primario
Requisitos Voltaje Maacuteximo 2 [V] lt Vmaacutex lt 31 [V] Capacidad Miacutenima2 416 [Joules] 186[F] Corriente de fuga Maacutexima 10 [microa] Nuacutemero de ciclos de recarga miacutenimo 500000
1 MPP Del ingleacutes Maximum Power Point o Voltaje al cual la celda fotovoltaica entrega la maacutexima potencia 2 Considerando una descarga desde 23[V] hasta un liacutemite de 09[V]
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
38
Buffer Secundario El buffer secundario debe estar compuesto por bateriacuteas recargables de NiMH por sus ventajas comparativas frente a otras tecnologiacuteas Este tampoacuten proporciona la energiacutea necesaria para el correcto funcionamiento del sistema cuando el buffer primario ya no tiene carga suficiente Ademaacutes cuando sea necesario se recargaraacute a partir de la energiacutea solar 212-3 Requisitos Funcionales del Buffer Secundario
Requisitos Voltaje nominal 12 [V] Nuacutemero de bateriacuteas conectadas en serie 2 Capacidad miacutenima1 2Bats x 2300 [mAhr] Nuacutemero Miacutenimo de Ciclos de recarga 50 Conversor DC-DC Se utiliza un conversor DC-DC para entregar un voltaje regulado de alimentacioacuten al nodo de RSIrsquos El rol del conversor DC-DC es mantener siempre el voltaje de alimentacioacuten constante aun cuando el voltaje en los condensadores seraacute variable y habraacute cambios de voltaje en el paso de buffer primario al secundario Los requisitos funcionales de este moacutedulo se entregan a continuacioacuten 212-4 Requisitos Funcionales del Conversor DC-DC
Requisitos Voltaje de Entrada 06 a 33 [V] Voltaje de Salida 27 a 35 [V] Corriente Miacutenima 100 [mA] Eficiencia de Conversioacuten Mayor a 85
213 Requisitos de Ambiente
Los requisitos de ambiente son aquellos factores ambientales miacutenimos en los cuales debe operar correctamente la aplicacioacuten a disentildear El disentildeo debe contemplar que la aplicacioacuten funcionaraacute normalmente en ambientes externos expuesto a factores ambientales variables Los requisitos miacutenimos se presentan a continuacioacuten
Requisitos a un Ciclo de trabajo 10 Radiacioacuten Solar miacutenima para no usar bats 250 [Wm2] Radiacioacuten Solar Miacutenima para recarga 400 [Wm2] Temperatura -20degC a 60 degC
1 Capacidad Miacutenima de las bateriacuteas considerando dos meses sin contar con radiacioacuten solar suficiente para recargar las bateriacuteas funcionando a un ciclo de trabajo de 10
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
39
22 Disentildeo Electroacutenico En base a los requisitos funcionales y los elementos constitutivos escogidos se procede a disentildear el circuito de la fuente de alimentacioacuten hiacutebrida para los nodos de las redes inalaacutembricas de sensores El disentildeo electroacutenico que se presenta a continuacioacuten se establece en base al esquema conceptual por moacutedulos que se presenta en la Figura 121
221 Disentildeo Electroacutenico de Cada Moacutedulo
En las siguientes secciones se describe moacutedulo a moacutedulo el disentildeo de la fuente de alimentacioacuten hibrida para nodos de RSIrsquos En el Apeacutendices
Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico se muestra el circuito completo y se destacan los moacutedulos en que se puede dividir el circuito para un mejor anaacutelisis
2211 Buffer Primario
Figura 221 Disentildeo Eleacutectrico del Buffer Primario
La celda fotovoltaica se conecta a CFV y carga directamente a traveacutes del diodo D1 a los suacuteper condensadores de 22 [F] dispuestos en paralelo El diodo D1 cumple dos funciones en primer lugar evita que los suacuteper condensadores se descarguen por la foto celda cuando no hay radiacioacuten solar (ver Capiacutetulo 1314) y en segundo lugar permite que la celda fotovoltaica opere cerca de su punto de maacutexima potencia al aumentar en 07 [V] el voltaje de los condensadores Asiacute con condensadores cargados entre 2 y 23 [V] la celda fotovoltaica opera entre 27 y 3 [V] (Ver Capiacutetulo 1314) El voltaje de los condensadores se muestrea directamente de estos conectaacutendolos al ADC0 La Figura 222 muestra un comparador que es parte del circuito interno del convertidor DC-DC [11] Este circuito se utiliza para prevenir la sobrecarga de los suacuteper condensadores en esta aplicacioacuten El divisor de voltaje formado por R3 y R4 se conecta a LBI Este voltaje se compara con VBG que tiene un valor de 123[V]
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
40
Figura 222 Detector de Bateriacutea baja del L6920
LBO entrega un voltaje alto cuando LBI gt VBG con lo cual se activa el transistor mosfet ldquosaferdquo y los condensadores se descargan a traveacutes de R5 El voltaje de activacioacuten se calcula a partir de la ecuacioacuten 22-1
sdot=
4
3][231R
RVVLBI 22-1
La corriente de descarga a traveacutes de R5 debe asegurar que los condensadores no sigan cargaacutendose y por lo tanto esta corriente debe ser mayor a la que es capaz de entregar la celda fotovoltaica a maacutexima radiacioacuten ver Figura 139 Se calcula el valor de la resistencia en R5 a partir de la ecuacioacuten 22-2
][16
][300
][32
][32
][300
22
Ωle
==
=
=
R
mW
V
Pmaacutex
VcondR
VVcond
mWPmaacutex
CFV
CFV
22-2
2212 Convertidor DC-DC A continuacioacuten se muestra la configuracioacuten estaacutendar del convertidor DC-DC para una salida regulada de 33 [V] [11] Para obtener un voltaje de salida distinto entre 2 y 52 [V] debe conectarse Vout al pin 1 FB (Feedback) a traveacutes de un divisor de voltaje La resistencia Rlbo es parte de la configuracioacuten del circuito de prevencioacuten de sobrecarga del buffer primario y asegura que la salida del LBO sea un voltaje ldquoaltordquo La alimentacioacuten del nodo se hace por el puerto ldquoTmoterdquo Rm1 y Rm2 se utilizan soacutelo para medir el voltaje de alimentacioacuten en la etapa de pruebas del circuito Se utiliza un divisor de voltaje dado que los puertos ADC del microcontrolador pueden medir hasta un voltaje maacuteximo de 25 [V] y en este caso el voltaje estaraacute alrededor de 33 [V]
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
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4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
41
Figura 223 Configuracioacuten del Convertidor DC-DC L6920 para la alimentacioacuten del Nodo de RSI
2213 Cargador de Bateriacuteas
La configuracioacuten de los mosfets en la esquina superior izquierda de la Figura 224 es el switch manejado por el microcontrolador a traveacutes del ADC 2 que decide cuando se lleva a cabo la recarga de las bateriacuteas a partir del buffer primario Un transistor Mosfet canal N se satura con un voltaje alto en la compuerta y corta con un voltaje bajo EL mosfet canal P funciona de la manera inversa En la configuracioacuten sentildealada cuando el ADC entrega 0 [V] ndashCondicioacuten Inicial o Recarga de bateriacuteas deshabilitada- el Nmos2 opera en corte y por lo tanto el voltaje de compuerta del Pmos2 es igual a Vcond con lo que actuacutea tambieacuten en corte Cuando se habilita la funcioacuten de recarga de bateriacuteas ADC3 se pone en 33 [V] con lo cual Nmos2 se satura y el voltaje de compuerta del Pmos2 se hace 0 [V] y conduce en saturacioacuten lo que se traduce en que se activa el cargador de bateriacuteas La parte central de la figura muestra la configuracioacuten claacutesica del L6920 con un divisor de voltaje en el pin FB con lo cual entrega un voltaje regulado de 345 [V] Las bateriacuteas se conectan en ldquoA Battrdquo y la corriente de carga pasa por el diodo D3 y Rcarga La corriente de carga dependeraacute del voltaje de las bateriacuteas y este a su vez depende del nivel de carga de estas De esta manera se logra cargar las bateriacuteas con una corriente que si bien no es absolutamente constante e invariable tendraacute una fluctuacioacuten muy pequentildea y en mucho tiempo La ecuacioacuten 22-3 representa como seraacute la corriente de carga de las bateriacuteas
][25][115
][10
][30][453
arg
arg
arg
3argarg
mAImA
VVVI
R
VVVI
ac
Batts
ac
ac
BattsDac
ac
gtgt
Ω
minusminus=
minusminus=
22-3
42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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42
Figura 224 Configuracioacuten del Cargador de Bateriacuteas
El voltaje de las bateriacuteas tendraacute un valor entre 1 y 145 [V] por celda con lo cual se tiene ][92][2 VVV Batts ltlt y es por esto que la corriente de carga tendraacute una magnitud
variable Sin embargo en el mejor de los casos esta variacioacuten se produciraacute en unos 10 diacuteas como miacutenimo
2214 Buffer Secundario El buffer secundario estaacute compuesto por dos bateriacuteas recargables de NiMH que se conectan en ldquoA Battrdquo El divisor de voltaje en R9 y R10 permiten medir el voltaje en las bateriacuteas y en base a esto estimar la carga restante Con este dato y la carga del buffer primario se establece cuando es adecuado utilizar el buffer secundario activando el transistor mosfet canal P
Figura 225 Buffer Secundario
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
43
222 Disentildeo del Circuito Impreso
El disentildeo del circuito impreso se llevoacute a cabo utilizando el software Protel DXP El tamantildeo de la placa donde van dispuestos los componentes eleacutectricos se disentildeoacute para que sea de largo y ancho menor que el de la celda fotovoltaica que se utiliza sin embargo podriacutea ser bastante menor utilizando soacutelo componentes de montaje superficial y un poco el disentildeo La idea de este disentildeo es formar un moacutedulo ensamblando el nodo Tmote Sky con la placa y sobre esta la celda fotovoltaica
Figura 226 Disentildeo de PCB y serigrafiacutea
23 Pruebas Funcionales Para validar el disentildeo especificado en los capiacutetulos anteriores se llevaron a cabo varias mediciones con el circuito armado sobre la placa impresa detallada anteriormente Para efectuar estas mediciones se dejoacute montado el sistema en una oficina con la celda fotovoltaica en el exterior dispuesta con una inclinacioacuten aproximada de 20deg sobre la horizontal hacia el norte y con el cielo despejado por donde pasa el Sol expuesta a radiacioacuten solar praacutecticamente todo el diacutea El nodo conectado a la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten se dejoacute cargado con el coacutedigo presentado en el iexclError No se encuentra el
origen de la referencia A este soacutelo se le cambioacute el ciclo de trabajo para las distintas mediciones Este nodo enviacutea los datos a otro nodo que cumple la funcioacuten de Gateway1 que se mantuvo conectado a un computador durante todo el transcurso de las mediciones Los datos recibidos se pueden graficar con un programa especialmente
1 Gateway Nodo de una RSI que se conecta directamente a un computador y le pasa los datos que recibe de la red de sensores
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
44
disentildeado usando el Software Matlab Este coacutedigo se presenta en el Apeacutendice E
Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones Los datos que enviacutea el nodo son el voltaje en los condensadores voltaje en las bateriacuteas voltaje de alimentacioacuten del nodo estado de recarga de bateriacuteas y estado de alimentacioacuten con buffer primario o secundario Ademaacutes de estos datos se cuenta con la informacioacuten sobre la radiacioacuten solar global obtenida de una estacioacuten meteoroloacutegica instalada sobre la misma oficina Ademaacutes con el coacutedigo en matlab se puede hacer una estimacioacuten teoacuterica de la corriente que entra y sale de las bateriacuteas asiacute como la acumulacioacuten de energiacutea de estas a partir del inicio de la medicioacuten Todos estos datos son graficados a continuacioacuten Cambiar el ciclo de trabajo del sistema significa solamente cambiar cuanto tiempo dura la radio encendida cada vez que se enviacutean los datos Las mediciones relacionadas con el funcionamiento del sistema se hacen siempre cada 30 [s] La Figura 231 muestra un diagrama explicativo de lo que se menciona Como se ve el consumo del microcontrolador es siempre el mismo en cuanto a la ejecucioacuten de las mediciones y lo que variacutea es el tiempo de encendido de la radio que es por lo menos 10 veces maacutes significativo en cuanto a consumo de energiacutea
Figura 231 Ciclos de Trabajo de la Radio y de la toma de datos
Junto con validar el trabajo de disentildeo las mediciones realizadas sirvieron para afinar con mayor detalle los umbrales que se establecieron finalmente para darle al sistema un mejor rendimiento Debe destacarse que las mediciones que se muestran a continuacioacuten fueron obtenidas durante los meses de mayo y junio con muchos diacuteas nublados y baja radiacioacuten solar por lo que el rendimiento del sistema se proboacute en un escenario bastante adverso y con resultados muy positivos
45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
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45
231 Sistema Operando a un ciclo de trabajo del 1
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
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Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
46
232 Sistema Operando a un Ciclo de trabajo del 10
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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mediciones httpeosweblarcnasagovsse
47
3 Especificaciones de Funcionalidad El disentildeo del equipo que se presenta ha sido llevado a cabo tomando en cuenta la necesidad de las redes inalaacutembricas de sensores de aumentar su capacidad de trabajo en funcioacuten de la energiacutea que disponen para su funcionamiento Es por esto que el usuario de estas redes desearaacute sacar el mayor provecho posible de la fuente hibrida de alimentacioacuten para nodos RSI sin poner en riego la integridad de la red por causa de falta de energiacutea en alguacuten nodo A continuacioacuten se presentan las especificaciones de la fuente hibrida en base a la radiacioacuten solar histoacuterica del lugar
31 Eleccioacuten del Ciclo de Trabajo de la RSI Para escoger el ciclo de trabajo de la red inalaacutembrica de sensores debe tomarse en cuenta la cantidad de energiacutea que se tendraacute disponible en cada momento y el tiempo que se necesita que la red funcione robustamente Como la fuente hibrida de alimentacioacuten utiliza energiacutea solar el paraacutemetro maacutes importante para determinar la cantidad de energiacutea disponible seraacute la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se desee instalar la RSI Utilizando los datos de consumo de potencia del Apeacutendice C se establece la ecuacioacuten 31-1 la cual iguala el consumo de potencia del nodo en un ciclo a la potencia que deberaacute entregar la celda fotovoltaica en el mismo ciclo dejando como variables la Radiacioacuten Solar y el ciclo de trabajo denominado por γ El factor γ representa el porcentaje del tiempo que la radio estaacute encendida transmitiendo datos y el factor 130 representa el tiempo que se enciende el microcontrolador para tomar los datos El resto del tiempo el nodo queda en Stand by
+sdot=
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
sdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdot
2
2
0035620100
63275
11650][2630
11][67
30
1][78][583
30
11
30
1
m
WRadSol
cmRadSolWmWmW
ARadSolPPP
Miacuten
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
γmicroγ
ηγγ
31-1
La curva obtenida de esta ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria para cargar el buffer primario en funcioacuten del ciclo de trabajo que se escoja La siguiente ecuacioacuten representa la radiacioacuten solar miacutenima necesaria en 5 horas de luz para recuperar la energiacutea que utiliza el sistema durante un diacutea completo recargando las bateriacuteas al punto donde estaban el diacutea anterior Se calcula en cinco horas puesto que es lo que se puede esperar de un diacutea de invierno en promedio
+sdot=
sdotsdotsdot=
minusminussdot+sdot+sdotsdot
2Re 0035620100
11323
][530
11
30
1][24
m
WRadSol
ARadSolHrsPPPHrs
cupera
CFVStdbyMCUonRadioTX
γ
ηγγ
31-2
Como a veces se cuenta con la informacioacuten de la energiacutea total recibida durante un mes y no se tiene la potencia diacutea a diacutea se calcula a continuacioacuten la energiacutea miacutenima mensual que se requiere para los dos casos anteriores y se puede comparar con el graacutefico de la Figura 134
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
48
[ ]
sdot
+sdot=
sdot
+sdot=
sdot
sdot
=
mesm
MJarEnergiacuteaSol
mesm
MJarEnergiacuteaSol
DiacuteaDiacutea
Hr
m
WRadSolarPotenciaarEnergiacuteaSol
cupera
Miacuten
Miacuten
2Re
2
2
0035620100
5714
0035620100
85148
305
γ
γ 31-3
A continuacioacuten se grafican ambas curvas de potencia y energiacutea miacutenima en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido considerando soacutelo 5 horas de radiacioacuten uacutetil diaria
Figura 311 Potencia instantaacutenea y Energiacutea Mensual requerida
para el dimensionamiento del ciclo de trabajo de una RSI
Con una radiacioacuten por sobre la liacutenea roja el sistema logra cargar el buffer primario por lo que el sistema no utiliza las bateriacuteas al menos durante el diacutea Ademaacutes se recargan las bateriacuteas pero soacutelo sobre la curva azul se logra recargar maacutes de lo que se utiliza en todo un ciclo Por lo tanto al dimensionar el ciclo de trabajo de cada nodo es importante que
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
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Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
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Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
49
la radiacioacuten histoacuterica sea superior a la curva azul por ejemplo si se tiene en el peor mes 300 [MJm2 mes] el sistema puede operar hasta a un 40 sin problemas
32 Capacidad de las Bateriacuteas
Si bien en el capiacutetulo precedente se da una clave importante para dimensionar hasta que capacidad de ciclo de trabajo tiene una red seguacuten su ubicacioacuten geograacutefica y los datos histoacutericos de radiacioacuten solar en la zona falta una variable importante en este estudio que tiene relacioacuten con la duracioacuten de las bateriacuteas en largos periacuteodos de nubosidad intensa Esta variable permite dimensionar la capacidad del buffer secundario si es necesario y establecer un ciclo de trabajo con mayor seguridad
dDiacutea
HrWmWmWNVHrmA
DiacuteasNDiacutea
HrNodoConsumoBattsNVHrmABateriacuteaCapacidad
sdot
sdot
minusminussdot+sdot+sdot=sdotsdotsdot
degsdot
sdot=degsdotsdotsdot
1730
11][627
30
1][78][583][21][2500
17)(][21][
γmicroγ
γ
32-1
Figura 321 Graacutefico de la ecuacioacuten 32 1 que relaciona la capacidad del buffer secundario con el
ciclo de trabajo y los diacuteas seguidos de radiacioacuten insuficientes
La ecuacioacuten 32-1 describe la relacioacuten que debe tener la capacidad del Buffer secundario en funcioacuten del ciclo de trabajo escogido y los diacuteas seguidos de radiacioacuten solar insuficiente para recargar las bateriacuteas Aquiacute es necesario mencionar los criterios que se utilizaron En primer lugar se supone que la radiacioacuten durante el diacutea seraacute suficiente para que el nodo funcione al menos unas 7 horas sin utilizar el buffer secundario es por esto que se multiplica por 17 [HrDiacutea] Esto es una estimacioacuten en base a las mediciones tomadas en los meses de mayo y junio en Vintildea del Mar En segundo lugar durante el
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
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networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
50
invierno siempre habraacute diacuteas donde la radiacioacuten seraacute insuficiente incluso para cargar el buffer primario y diacuteas en los cuales la radiacioacuten alcanzaraacute para efectuar una buena recarga de las bateriacuteas En este caso se hace mencioacuten a la cantidad de diacuteas continuados con radiacioacuten insuficiente esto es nuacutemero de diacuteas en que no seraacute posible efectuar la recarga de las bateriacuteas Esto tendraacute que evaluarlo el disentildeador de la red cuando necesite fijar el ciclo de trabajo maacuteximo A continuacioacuten se muestra un graacutefico de contorno de la zona de intereacutes de la ecuacioacuten 32-1 graficado anteriormente en tres dimensiones
Figura 322 Capacidad del Buffer Secundario [mAHr] en funcioacuten del ciclo de trabajo y la
cantidad estimada de diacuteas consecutivos con radiacioacuten solar insuficiente
El siguiente capiacutetulo muestra como proceder para dimensionar un ciclo de trabajo seguro y maacuteximo para un desempentildeo oacuteptimo
33 Procedimiento para dimensionar el sistema Como se ha ido sugiriendo en los capiacutetulos precedentes la fuente hibrida disentildeada tiene como funcioacuten principal aumentar la cantidad de energiacutea disponible en el tiempo para ser utilizada por un nodo Es por esto que al utilizar esta fuente de alimentacioacuten seraacute particularmente importante establecer como extraer de ella el maacuteximo rendimiento Para esto se debe fijar la atencioacuten en tres variables fundamentales a saber la radiacioacuten solar histoacuterica de la zona donde se instalaraacute la red el ciclo de trabajo de cada nodo y la capacidad del buffer secundario En primer lugar supongamos que la red se instalaraacute en la zona de Valparaiacuteso dado que contamos con la informacioacuten de la radiacioacuten solar en esta zona Vemos el graacutefico y encontramos que en el antildeo 2006 desde mayo hasta agosto hubo una radiacioacuten solar bajo los 300 [MJm2] lo que nos da un total de 120 diacuteas aproximadamente
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
51
Figura 331 Histograma de la Energiacutea solar mensual por m2 recibida en Valparaiacuteso [1]
Luego vemos el graacutefico de la Figura 332 que nos muestra cuantos diacuteas puede operar un nodo a un ciclo de trabajo fijo a cierta radiacioacuten mensual dada con una distribucioacuten maacutes o menos equilibrada en el tiempo Se entiende por demasiado desequilibrado cuando se tiene un a cantidad de diacuteas consecutivos de radiacioacuten solar deficiente tal que produzca una descarga peligrosa del buffer secundario Esto es lo que se grafica en la Figura 322 y se debe utilizar para asegurarse de que el ciclo de trabajo escogido se encuentre en una zona segura
Figura 332 Nivel Miacutenimo de Radiacioacuten Solar Mensual Requerida con 2 bateriacuteas de 2500 [mAHr]
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
52
4 Conclusiones Para finalizar este trabajo se presentan a continuacioacuten las conclusiones a que se ha llegado referente a la utilizacioacuten de energiacutea solar como fuente de alimentacioacuten eleacutectrica de los nodos de RSIrsquos el cumplimiento de los requisitos impuestos al comienzo del disentildeo y algunos puntos que se pueden incorporar en trabajos posteriores para mejorar el rendimiento del sistema
41 Energiacutea Solar como Fuente de Alimentacioacuten de nodos de RSIrsquos
Como se comprueba con las mediciones efectuadas y los caacutelculos teoacutericos la energiacutea solar no soacutelo es una alternativa eficaz para aumentar la capacidad de consumo de energiacutea de los nodos sino tambieacuten dada su naturaleza permite a cada nodo ldquogenerarrdquo en el tiempo su propia energiacutea consumida Esto le da a la red una caracteriacutestica nueva de autosuficiencia e independencia lo que puede contribuir a generar nuevas aplicaciones para las redes de sensores inalaacutembricas Desde el punto de vista del disentildeo una celda fotovoltaica de tamantildeo relativamente pequentildeo comparable con el tamantildeo de un nodo Tmote Sky es capaz de proporcionar energiacutea suficiente para trabajos con consumo 10 a 30 veces mayores que los usuales aun en zonas de radiacioacuten solar muy baja (maacutes de 300 [MJm2
mes] Desde el punto de vista ecoloacutegico la utilizacioacuten de la energiacutea solar fotovoltaica y bateriacuteas recargables de NiMH contribuye a abandonar el mercado de las bateriacuteas comunes que contienen componentes toacutexicos y requieren de un trabajo de recoleccioacuten y reciclaje al final de su vida uacutetil Desde el punto de vista de la eficiencia el recambio de bateriacuteas con el sistema antiguo incluye horas hombre de trabajo que se pueden dedicar a otras labores si se tiene un sistema de autosuficiencia energeacutetica Esto ademaacutes presenta otras ventajas como reducir los costos de atencioacuten al cliente y post venta La desventaja de utilizar energiacutea solar radica en que la radiacioacuten solar que llega a la superficie de la Tierra depende en gran medida de los factores climaacuteticos que son cambiantes y poco predecibles Sin embargo teniendo informacioacuten histoacuterica sobre los niveles de radiacioacuten solar en una zona determinada es posible disentildear el consumo de cada nodo en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten actuando como limitante Auacuten asiacute el desempentildeo que logra una red con este sistema es por lo menos 10 a 40 veces superior en cualquier zona del paiacutes desde la regioacuten de los Lagos hacia el norte ver Apeacutendice 52
42 Cumplimiento de los Requisitos de Disentildeo La fuente hiacutebrida de alimentacioacuten para nodos de RSIrsquos cumple cabalmente con todos los requisitos de disentildeo impuestos antes de comenzar con el trabajo En primer lugar genera un voltaje de salida de 33 [V] regulado hasta una potencia de 600 [mW] mucho mayor de lo que se habiacutea establecido En segundo lugar dado el procedimiento de recarga de bateriacuteas cada vez que es posible y necesario esta fuente podriacutea funcionar por
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
53
un tiempo indefinido Sin embargo como el objetivo maacutes importante es mantener al nodo siempre con energiacutea disponible y la radiacioacuten solar es una variable cambiante el ciclo de las bateriacuteas de NiMH no se respeta como es aconsejable (Capiacutetulo 133) y esto puede causar un deterioro de su capacidad De todas maneras esto deberiacutea comenzar a influir en el correcto funcionamiento de la fuente despueacutes de 10 oacute 20 antildeos En tercer lugar las mediciones efectuadas y los caacutelculos demostrados garantizan que el sistema puede operar a ciclos de trabajo de 10 praacutecticamente en cualquier zona agriacutecola de Chile a 25 desde el paralelo 37deg S hacia el norte y en los valles del norte chico y zona central a ciclos del orden de 45 esto es a grosso modo sin considerar microclimas existentes sobre todo en el aacuterea del borde costero Con todo lo anterior se puede decir que el disentildeo de la fuente hiacutebrida en base a energiacutea solar cumple con los requisitos para su utilizacioacuten en redes orientadas al monitoreo agriacutecola y otros al aire libre
43 Trabajos Futuros Si bien el sistema desarrollado ha demostrado funcionar correctamente y dentro de lo detallado en los requisitos de disentildeo se pueden agregar mejoras al sistema y mejorar algunas cosas En el disentildeo actual la celda fotovoltaica se conecta directamente a traveacutes de un diodo a los suacuteper condensadores por lo tanto el punto de operacioacuten de la foto celda depende del voltaje de los condensadores maacutes el voltaje en el diodo Normalmente con este sistema el punto de operacioacuten estaraacute cercano al punto de operacioacuten de maacutexima potencia pero esto no es lo maacutes eficiente en todo momento Para que la celda fotovoltaica entregue siempre la maacutexima potencia posible se puede agregar un seguidor del punto de maacutexima potencia conocido como MPPT por sus siglas en ingleacutes (Maximum Power Point Tracker) El sistema mencionado funciona tomando muestras perioacutedicamente de voltaje y corriente en la salida de la celda fotovoltaica y con esto calcula la potencia instantaacutenea Luego el sistema puede aumentar o disminuir el voltaje de salida de la celda fotovoltaica y seguacuten esto va buscando hacia donde aumenta la potencia y asiacute se ubica en el punto de maacutexima potencia en todo momento Otro concepto que se puede mejorar tiene referencia al uso de recursos del nodo La fuente hibrida para poder funcionar necesita 4 puertos ADC de un nodo 2 para medir los voltajes en cada buffer y 2 para conmutar los switchs de control de cargas Como cada nodo tiene 8 entradas ADC el uso de la fuente hiacutebrida limita la cantidad de sensores que se le puede conectar a cada nodo Para solucionar esto es posible incluir en un desarrollo futuro un microcontrolador programable que se haga cargo de la loacutegica y control de las variables de la fuente para un funcionamiento autoacutenomo respecto del nodo Respecto del tamantildeo de la placa es posible hacerla mucho maacutes pequentildea utilizando solamente componentes de montaje superficial e integrando maacutes el disentildeo Esto puede ser uacutetil en ciertas aplicaciones donde el nodo tenga que estar en una caja con espacio reducido como es habitualmente en las aplicaciones a la intemperie
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
54
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
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[ ]
[ ]][35
][42
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][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
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583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
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54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
55
5 Apeacutendices
51 Apeacutendice A Disentildeo del Circuito Eleacutectrico
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
56
52 Apeacutendice B Datos Satelitales de Radiacioacuten Solar en el cono Sudamericano
A continuacioacuten se presentan una serie de imaacutegenes de mediciones satelitales sobre la radiacioacuten solar en la superficie terrestre en la zona del cono sudamericano Los resultados graficados muestran un promedio mensual de la irradiancia solar en cada zona en [KWHrm2
diacutea] sobre una base de 22 antildeos de mediciones desde Julio 1983 hasta Junio del 2005 La incerteza de los resultados publicados va desde 13 a 16 de acuerdo con lo evaluado por los responsables [13] Luego se muestran graacuteficos de la cantidad de diacuteas por mes de diacuteas sin sol obtenidos de la misma fuente Estos datos serviraacuten al disentildeador de la red como ayuda para dimensionar el consumo de energiacutea desde la fuente en funcioacuten de los meses de menor radiacioacuten sin embargo dada la resolucioacuten de 25deg x 25deg (app 280 x 280 [Km]) no se muestran los microclimas existentes en cada zona pero da por lo menos una visioacuten general del clima
Figura 521 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Abril y Mayo
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
57
Figura 522 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Junio y Julio
Figura 523 Radiacioacuten Solar en [KWHrm2diacutea] por zona Geograacutefica en los meses de Agosto y
Septiembre
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
58
Figura 524 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Abril y Mayo
Figura 525 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Junio y Julio
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
59
Figura 526 Ndeg de Diacuteas sin Sol por Zona Geograacutefica para los meses de Agosto y Septiembre
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
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73
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httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
60
53 Apeacutendice C Consumo del Sistema En este apeacutendice se muestran datos teacutecnicos de consumo de cada nodo dependiendo del trabajo que realiza y del consumo de energiacutea en las bateriacuteas al ser utilizadas como buffer secundario por la fuente hiacutebrida de alimentacioacuten del nodo 232-1 Datos Teacutecnicos de utilizacioacuten de Energiacutea de un Nodo RSI Tmote Sky
MIN NOM MAX Unid Voltaje de Alimentacioacuten 21 36 V Temperatura de funcionamiento al aire libre -40 85 degC Consumo Corriente MCU on Radio Rx 218 23 mA Consumo Corriente MCU on Radio Tx 195 21 mA Consumo Corriente MCU on Radio off 18 24 mA Consumo Corriente MCU idle Radio off 0055 12 mA Consumo Corriente MCU Stdby 51 21 microA La tabla anterior muestra los datos de consumo de un nodo Tmote Sky Para la aplicacioacuten en uso y los caacutelculos posteriores se asumiraacute que el nodo consume 23 [mA] transmitiendo datos 24 [mA] mientras toma los datos de voltaje y 21 [microA] el resto del tiempo La alimentacioacuten del nodo ya sea utilizando el buffer primario o secundario se lleva a cabo mediante un convertidor DC-DC de la marca ST Microelectronics modelo L6920 La Figura 531 muestra la eficiencia del convertidor utilizado
Figura 531 Curva de eficiencia del convertidor DC-DC L6920
Cuando se utilice el buffer primario el voltaje de entrada al convertidor L6920 variaraacute entre 23 y 09 [V] por lo que se puede estimar una eficiencia de conversioacuten de entre 90 y 80 Cuando se utilice el buffer secundario el voltaje de entrada variaraacute entre 29 y 2[V] con una eficiencia de conversioacuten promedio de 90 Con estos datos se calcula la corriente que se extrae de las bateriacuteas cuando se opera con el buffer secundario
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
61
[ ]
[ ]][35
][42
583
583
91
][76][23][33
mAV
mWI
mWP
PP
mWmAVP
RadioTX
Bat
mote
Bat
RadioTX
asymp
=
=
=
=sdot=
η
η
Esto es la corriente que entregan las bateriacuteas con la radio encendida De la misma manera se hace el caacutelculo para cuando el nodo toma las muestras de voltaje y cuando estaacute en estado Stand by
][132
][369][33][21
][633
][927][33][42
tan
tan
AI
WVAP
mAI
mWVmAP
dByS
dByS
MCUon
MCUon
micro
micromicro
=
==
=
==
En base a estos datos se puede calcular cual es el ciclo de trabajo maacuteximo que le permite al sistema pasar una noche sin utilizar las bateriacuteas Este dato se puede usar para maximizar el funcionamiento del sistema cuando sea necesario recargar las bateriacuteas
( )
[ ] [ ]( ) [ ]( )( ) [ ] [ ] [ ] ( ) [ ]( )
621
583016701780167076149012442
1
)1([]][
22
1tan1
=
sdot+minusminussdot+sdotsdot=minussdotsdot
sdot+minusminussdot+sdotsdot=
γ
γγmicro
γγ
mWmWWHrVVF
EtEtEHrTE RadioTXdBySMCUonnocheresCondensado
Seguacuten este caacutelculo la fuente permite operar hasta una tasa 162 confiablemente (tomando en cuenta que puede empezar a descargarse de 21[V] en vez de 23[V]) y considerando 14 [hrs] de oscuridad equivalente al solsticio de invierno En un mejor caso esto es con una descarga de los condensadores desde 23[V] y tan soacutelo 10 [hrs] de oscuridad la fuente permite hasta un 3 de ciclo de trabajo sin utilizar las bateriacuteas
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
62
54 Apeacutendice D Versioacuten del Coacutedigo para Pruebas El coacutedigo que se presenta a continuacioacuten es aquel que se utilizoacute para llevar a cabo las pruebas del sistema Contiene accesorios que no son indispensables para el funcionamiento baacutesico de la aplicacioacuten como son los enviacuteos de datos de estado del sistema a traveacutes de la radio y un destello del Led rojo cada vez que se inicia un ciclo Estos componentes pueden ser eliminados para hacer maacutes eficiente el consumo de energiacutea del microcontrolador Makefile COMPONENT= ControlCargaC
CFLAGS += -DCC2420_DEF_CHANNEL=20
include Makerules
referenciah enum
TOS_ADC_Vcond_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A0
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vbat_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A2
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
enum
TOS_ADC_Vmote_PORT = unique(ADCPort)
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT = ASSOCIATE_ADC_CHANNEL(
INPUT_CHANNEL_A6
REFERENCE_VREFplus_AVss
REFVOLT_LEVEL_2_5
)
IntMsgh typedef struct IntMsg
uint16_t val
uint16_t src
IntMsg
struct Measure
uint16_t data[5]
enum
AM_INTMSG = 4
ControlCargaCnc
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
63
includes referencia
configuration ControlCargaC
implementation
components Main ControlCargaM LedsC TimerC ADCC
MSP430GeneralIOC GenericComm as Comm CC2420RadioC
MainStdControl -gt TimerC
MainStdControl -gt ControlCargaM
MainStdControl -gt ADCC
MainStdControl -gt Comm GenericComm
MainStdControl -gt CC2420RadioC
ControlCargaMLeds -gt LedsCLeds
ControlCargaMTimerVBat -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVCond -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerVmote -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerRadio -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado1 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerEstado2 -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMTimerSend -gt TimerCTimer[unique(Timer)]
ControlCargaMADCControl -gt ADCC
ControlCargaMVbat -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vbat_PORT]
ControlCargaMVcond -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vcond_PORT]
ControlCargaMVmote -gt ADCCADC[TOS_ADC_Vmote_PORT]
ControlCargaMSetC1 -gt MSP430GeneralIOCPort63
ControlCargaMSetC2 -gt MSP430GeneralIOCPort61
ControlCargaMVcondCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort60 Conecta el
ControlCargaMVbatCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort62 ADC como
ControlCargaMVmoteCtrl -gt MSP430GeneralIOCPort66 input
ControlCargaMSendMsg -gt CommSendMsg[130]
ControlCargaMRadioControl -gt CommControl
ControlCargaMnc includes IntMsg
module ControlCargaM
provides
interface StdControl
uses
interface Leds
interface Timer as TimerVBat
interface Timer as TimerVCond
interface Timer as TimerVmote
interface Timer as TimerRadio
interface Timer as TimerEstado1
interface Timer as TimerEstado2
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
64
interface Timer as TimerSend
interface ADCControl
interface ADC as Vbat
interface ADC as Vcond
interface ADC as Vmote
interface MSP430GeneralIO as VcondCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC2
interface MSP430GeneralIO as VbatCtrl
interface MSP430GeneralIO as SetC1
interface MSP430GeneralIO as VmoteCtrl
interface SendMsg
interface StdControl as RadioControl
implementation
bool C1
bool recarga
bool rebalse
bool maximo
norace uint16_t C2
norace uint16_t rec
TOS_Msg m_msg
struct Measure Meas[5]
norace uint8_t indexin
norace uint8_t indexout
uint8_t i
uint8_t j
typedef struct Valores
uint8_t tipo
uint16_t valor
Valores
Valores body =(Valores)m_msgdata
void initSetC2()
call SetC2selectIOFunc()
call SetC2makeOutput()
call SetC2setLow()
void initSetC1()
call SetC1selectIOFunc()
call SetC1makeOutput()
call SetC1setLow()
command result_t StdControlinit()
call VcondCtrlmakeInput() ADC con alta impedancia
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
else
Vb(m1)=Vb(m-11)
Vb(m2)=Vb(m-12)
C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
end
n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
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integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
65
call VbatCtrlmakeInput()
call VmoteCtrlmakeInput()
call Ledsinit()
call ADCControlinit()
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vcond_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vcond_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vbat_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vbat_PORT )
call ADCControlbindPort( TOS_ADC_Vmote_PORT
TOSH_ACTUAL_ADC_Vmote_PORT)
call RadioControlinit()
atomic
indexin = 0
indexout = 0
i=0
j=0
return SUCCESS
command result_t StdControlstart()
call TimerVmotestart(TIMER_REPEAT30720)
return SUCCESS
command result_t StdControlstop()
return call TimerVCondstop()
event result_t TimerVmotefired()
call VmotegetData()
call TimerVCondstart(TIMER_ONE_SHOT300)
call Ledsset(1)
return SUCCESS
event result_t TimerVCondfired()
call VcondgetData()
call TimerVBatstart(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerVBatfired()
call VbatgetData()
call TimerEstado1start(TIMER_ONE_SHOT300)
return SUCCESS
event result_t TimerEstado1fired()
call TimerEstado2start(TIMER_ONE_SHOT200)
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = C2
indexin++
return SUCCESS
event result_t TimerEstado2fired()
atomic
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
C2=0
if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
C2=2000
atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
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return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
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estado=0 1
for i=114L
for j=1114
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if C(11)==0 1
if C(11)==estado
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Vm(k2)=C(13)
else
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Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
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else
Vm(k1)=Vm(k-11)
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Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
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h=h+1
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else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
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69
h=h+1
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m=m+1
estado=3 4
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if C(11)==3 4
if C(11)==estado
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else
Vb(m1)=Vb(m-11)
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C1(p2)=C(13)
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p=p+1
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end
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Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
l=length(VoltajeCond)
t=[11l]
tiempoHr=t120
subplot(211)
hold on
plot(VoltajeCond)
plot(VoltajeBatr)
plot(VoltajeMoteg)
plot(setC2m)
plot(setC1k)
grid on
legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
hold off
CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
m=length(Ic)
n=length(CC)
if mltn
mn=m
else
mn=n
end
for mm=11mn
IICC(mm)=Ic(mm)CC(mm)
end
P=002333
on=0
for mm=11mn
if onlt99
RxOn(mm)=0
else
RxOn(mm)=1
end
if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
end
Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
IIDD(mm)=Idesc(mm)CDesc(mm)RxOn(mm)
on=on+1
end
corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
off
subplot(212)
hold on
plot(IICC1000g)
plot(IIDD1000r)
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
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d=IICC(i)
if dgt=c
integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
66
Meas[indexout]data[indexin] = rec
indexin++
if (indexin == 5)
indexin = 0
indexout++
if(indexout == 5)
call RadioControlstart()
call TimerSendstart(TIMER_REPEAT55) 1536 --gt1
call TimerRadiostart(TIMER_ONE_SHOT1536) 15360 --gt10
indexout = 0 38400 --gt25
return SUCCESS
event result_t TimerSendfired()
body-gtvalor = Meas[i]data[j]
body-gttipo = j
if (call SendMsgsend(
TOS_BCAST_ADDRsizeof(Valores)ampm_msg))
return SUCCESS
else
atomic
j++
if (j == 5)
j=0
i++
if (i == 5)
i=0
call TimerSendstop()
return SUCCESS
event result_t TimerRadiofired()
call RadioControlstop()
indexin = 0
indexout = 0
return SUCCESS
async event result_t VconddataReady(uint16_t Vc)
if (Vc lt 1474)
call SetC2setLow()
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if (Vc gt 2950)
call SetC2setHigh()
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atomic
if (Vc gt 3750)
C1 = TRUE
if (Vc lt 3350)
C1= FALSE
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vc
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
L=length(B)
r=0
k=1 h=1 m=1 n=1 p=1
kk=0 hh=0 mm=0 nn=0 pp=0
estado=0 1
for i=114L
for j=1114
C(j)=B(j+i-1)
end
if C(11)==0 1
if C(11)==estado
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
else
C1(p1)=C1(p-11)
C1(p2)=C1(p-12)
Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
p=p+1
kk=kk+1
errores(kk5)=p-1
end
k=k+1
estado=1 2
end
if C(11)==1 2
if C(11)==estado
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
else
Vm(k1)=Vm(k-11)
Vm(k2)=Vm(k-12)
Vc(h1)=C(14)
Vc(h2)=C(13)
k=k+1
hh=hh+1
errores(hh1)=k-1
end
h=h+1
estado=2 3
end
if C(11)==2 3
if C(11)==estado
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
else
Vc(h1)=Vc(h-11)
Vc(h2)=Vc(h-12)
Vb(m1)=C(14)
Vb(m2)=C(13)
69
h=h+1
mm=mm+1
errores(mm2)=h-1
end
m=m+1
estado=3 4
end
if C(11)==3 4
if C(11)==estado
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else
Vb(m1)=Vb(m-11)
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C2(n1)=C(14)
C2(n2)=C(13)
m=m+1
nn=nn+1
errores(nn3)=m-1
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n=n+1
estado=4 5
end
if C(11)==4
if C(11)==estado
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
else
C2(n1)=C2(n-11)
C2(n2)=C2(n-12)
C1(p1)=C(14)
C1(p2)=C(13)
n=n+1
pp=pp+1
errores(pp4)=n-1
end
p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
Vc1(1)=bitshift(Vc(1)8)
VcDec(1)=Vc1(1)+Vc(2)
Vb1(1)=bitshift(Vb(1)8)
VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
Vm1(1)=bitshift(Vm(1)8)
VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
C2shift(1)=bitshift(C2(1)8)
alim(1)=C2shift(1)+C2(2)
C1shift(1)=bitshift(C1(1)8)
recarga(1)=C1shift(1)+C1(2)
VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
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t=[11l]
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subplot(211)
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for mm=11mn
if onlt99
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else
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if on == 100
RxOn(mn)=0
on=0
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Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
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corrienteBatt
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off
subplot(212)
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71
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legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
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else
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if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
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sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
67
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VbatdataReady(uint16_t Vb)
atomic
if (Vb lt 2130)
recarga = TRUE
if (Vb gt 2350)
recarga = FALSE
atomic
if (recarga == TRUE)
if (C1 == TRUE)
call SetC1setHigh()
rec = 2000
else
call SetC1setLow()
rec = 0
if (recarga == FALSE)
call SetC1setLow()
atomic
Meas[indexout]data[indexin] = Vb
indexin++
return SUCCESS
async event result_t VmotedataReady(uint16_t Vm)
call Ledsset(0)
atomic
Meas[indexout]data[indexin]=Vm
indexin++
return SUCCESS
event result_t SendMsgsendDone( TOS_MsgPtr msgresult_t success )
return SUCCESS
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
clear
clc
A=fopen(DArchivos de programaUCBcygwinmedicionesMediciones
Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
B=fscanf(Ax)
C=[1114]
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if C(11)==0 1
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C1(p1)=C1(p-11)
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Vm(k1)=C(14)
Vm(k2)=C(13)
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k=k+1
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if C(11)==1 2
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Vc(h1)=C(14)
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Vc(h1)=C(14)
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Vb(m1)=C(14)
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69
h=h+1
mm=mm+1
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m=m+1
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VoltajeCond=(VcDec254096)
VoltajeBat=(VbDec254096)2
VoltajeMote=(VmDec254096)2
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
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tiempoHr=t120
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plot(VoltajeCond)
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legend(VcondVbatVmoteCONDbatrecargaLocationSouthWe
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xlabel(Mediciones [Ndeg])
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mn=n
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if on == 100
RxOn(mn)=0
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Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
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corrienteBatt
plot(sumaIC-sumaIDy)
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subplot(212)
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71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
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72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
68
55 Apeacutendice E Coacutedigo Matlab para graficar datos de mediciones
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Finalesjue08Paral1_1txt) 1800
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69
h=h+1
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errores(mm2)=h-1
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m=m+1
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if C(11)==4
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pp=pp+1
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p=p+1
estado=0 1
end
r=r+1
end
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VbDec(1)=Vb1(1)+Vb(2)
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VmDec(1)=Vm1(1)+Vm(2)
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70
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hold on
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mn=m
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for mm=11mn
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for mm=11mn
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else
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corrienteBatt
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off
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hold on
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71
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grid on
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xlabel(tiempo)
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else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
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else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
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end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
69
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mm=mm+1
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end
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70
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off
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71
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end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
70
setC2=C2shift254096
setC1=C1shift154096
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st)
xlabel(Mediciones [Ndeg])
ylabel(Voltajes [V])
title(25)
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CC=setC1065625
Ic=(342-03-VoltajeBat)10 Verificar Voltaje DC-DC y diodo
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for mm=11mn
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RxOn(mn)=0
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Idesc(mm)=P(VoltajeBat(mm)074)
CDesc(mm)=((setC2(mm)-109375)-1)109375
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plot((sumaIC-sumaID)1000)
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end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
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[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
71
plot((sumaIC-sumaID)1000)
legend(I_CI_DacumulacionLocationNorthWest)
grid on
ylabel(Energiacutea [mAHr])
xlabel(tiempo)
corrienteBatm
l=length(IICC)
sumaIC(1)=0 sumaID(1)=0
for i=11l-2
a=tiempoHr(i+1)
b=tiempoHr(i)
c=IICC(i+1)
d=IICC(i)
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integIC=(a-b)(c+(d-c)2)
else
integIC=(a-b)(d+(c-d)2)
end
sumaIC(i+1)=integIC+sumaIC(i)
e=IIDD(i+1)
f=IIDD(i)
if fgt=e
integID=(a-b)(e+(f-e)2)
else
integID=(a-b)(f+(e-f)2)
end
sumaID(i+1)=integID+sumaID(i)
end
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
[Rag05] V Raghunathan A Kansal JHsu J Friedman amp MSrivastava ldquoDesign
Considerations for Solar Harvesting Wireless Embedded Systemsrdquo Information Processing in Sensor Networks 2005 IPSN 2005 Fourth
Internacional Symposium on [Nar00] P Narvaacuteez F ldquoDimensionamiento de una Planta Fotovoltaica para el
suministro de Energiacutea Eleacutectrica de una Casa Rural en la Zona de Valparaiacutesordquo ndash Memoria de Titulacioacuten Junio 2000 Universidad Teacutecnica Federico Santa Mariacutea
[Roj99] J Rojas H ldquoMateria y Energiacutea en los Modelos de Desarrollordquo Centro EULA
Universidad de Concepcioacuten Chile 1999 [Pal03] LPalma PEnjeti JWHowse ldquoAn Approach to Improve Battery Run-time in
Mobile Applications with Supercapacitorsrdquo Power Electronics Specialist
Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
73
[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
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[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
72
Referencias [Jia05] Jiang X Polastre J Culler DrdquoPerpetual environmentally powered sensor
networksrdquo Fourth International Symposium on Information Processing in
Sensor Networks 2005 IPSN 2005 15 April 2005 Page(s)463 ndash 468 [Nor07] Norman BC ldquoPower options for wireless sensor networksrdquo Aerospace and
Electronic Systems Magazine IEEE Volume 22 Issue 4 April 2007 Page(s)14 ndash 17
[Tor06] Torregoza JPM In-Yeup Kong Won-Joo Hwang ldquoWireless Sensor
Network Renewable Energy Source Life Estimationrdquo First International
Conference on Communications and Electronics 2006 ICCE 06 10-11 Oct 2006 Page(s) 373 ndash 378
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Conference 2003 2003 IEEE 34th Annual Volume 2 pages 918 - 923 [Sch07] J Schindall ldquoThe charge of the Ultra-Capacitorsrdquo IEEE Spectrum Online
Magazine November 2007 httpwwwspectrumieeeorgnov0756362 [Cha02] R Chang ldquoQuiacutemica Seacuteptima Edicioacutenrdquo McGraw-Hill Interamericana
Editores SA ISBN 970-10-3894-0
[1] Laboratorio de Evaluacioacuten Solar UTFSM wwwlabsolarutfsmcl [2] Sitio oficial de la NASA httpciencianasagov [3] Panasonic Solar Cells Technical Handbook lsquo9899 [4] Instituto de Hidrologiacutea Meteorologiacutea y Estudios Ambientales de Colombia httpwwwideamgovcoradiacionhtm [5] Nesscap Products httpwwwnesscapcomproducts_lineuphtm
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[6] BOOSTCAP Product Guide Maxwell Technologies
httpwwwmaxwellcomultracapacitorstechnical-supportmanualsasp [7] Siemens Matsuchita Ultra cap Data Sheet [8] EPCOS Components Ultra Cap Series data Sheet [9] Duracell Ni-MH Rechargeable Batteries Technical Bulletin httpwwwduracellcomoemrechargeableNickelnickel_metal_techasp [10] Nickel Metal Hidride Technical Handbook GP Batteries httpwwwgpbatteriescomhtmltechinfoliteraturehtml [11] Dataste L6920 Step-Up DC-DC Converter STMicroelectronics wwwstcom [12] Ministerio Federal de Economiacutea y Tecnologiacutea de Alemania httpwwwbmwideBMWiNavigationroothtml
httpwwwgerman-renewable-energycomRenewablesNavigationSpanisch roothtml
[13] Sitio oficial de la Nasa Base de datos satelitales en base a 10 antildeos de
mediciones httpeosweblarcnasagovsse
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