esime zacatenco - tesis.ipn.mx

Instituto Politécnico Nacional

Escuela Superior de Ingeniería

Mecánica y Eléctrica

ESIME Zacatenco

Fuente híbrida con batería de LiPo, supercapacitores

y fotoceldas para alimentar un vehículo aéreo no

tripulado.

Tesis que presenta:

Arturo Muñoz Silva

para obtener el grado de:

Ingeniero en comunicaciones y eléctronica

Directores de Tesis

M. en C. Francisco Atl Aceves Bernal

M. en C. Mario Augusto Ramírez Morales

México,DF. Noviembre 2015

Agradecimientos

Agradezco de todo corazón a mi madre, hermano, abue, tíos, primos que los amo,

profesores, amigos, y personas que son especiales en mi vida, que otorgaron valores

para crecer como persona de bien, quiero agradecerles por la colaboración que me han

brindado, apoyo y conocimientos sintiéndome ameno con la con�anza puesta en mi

persona, especialmente cuando he contado con su mejor apoyo desde que tengo uso

de razón.

Este nuevo gran logro que con esfuerzo se ha podido lograr, es gracias a ustedes

por sus los alientos, consejos, regaños y alegrías otorgados hacia mi, concluyendo así

una etapa profesional.

A mi familia que siempre esta para respaldar ante los retos de la vida, que siempre

se hacen presentes, le agradezco el tiempo, con�anza, aprecio, y sobre todo porque

siempre están ahí, para poder resolverlos de manera unida, fortaleciendo los vínculos,

Gracias a todos mis profesores, en especial a los de la Escuela Superior en Inge-

niería Mecánica y Eléctrica Zacatenco por su aporte en mi formación profesional.

De antemano siempre estaré agradecido con el Instituto Politécnico Nacional por

la oportunidad de concluir mi formación profesional en sus aulas.

Gracias.

Resumen

En la actualidad, la gran demanda de combustible o fuentes de energía basado

en sustancias fósiles han creado fuertes emisiones de contaminación hacia el aire,

tierra y mar, produciendo enfermedades para la �ora y fauna, es por ello que se

están implementando nuevos sistemas de energía renovables, para reducir la huella de

contaminación, en este proyecto se intentan estimular a la población que la energía

solar es una fuerte alternativa para reducir los efectos de la contaminación.

En este trabajo de tesis se utiliza la energía solar para transformarla en energía

eléctrica mediante fotoceldas, almacenado la energía eléctrica en supercapacitores

para poder transferir esa energía a la batería LiPo y así poder alimentar un vehículo

aéreo no tripulado ocasionando un tiempo de vuelo mas largo que solo obteniendo la

energía eléctrica de la batería LiPo sin producir contaminantes, ayudando al medio

ambiente y a la comunidad cientí�ca y militar que trabaja en zonas de di�cil acceso

para obtener pruebas, fotografías, etc.

Las fotoceldas y los supercapacitores no de genera algún desperdicio de energía

eléctrica pues solo genera la cantidad necesaria para la batería LiPo y la restante es

almacenada, utilizándola cuando se requiera, y así sucesivamente.

I

II

Abstract

Today, the high demand for fuel and energy sources based on fossil substances have

created strong pollution emissions into the air, land and sea, causing diseases to �ora

and fauna, which is why we are being implemented new energy systems renewable,

to reduce the footprint of contamination, this project is trying to encourage the

population that solar energy is a strong alternative to reduce the e�ects of pollution.

In this thesis solar energy to transform it into electrical energy by photocell is

used, stored electrical energy in supercapacitors to transfer that energy to the LiPo

battery and so to feed an unmanned aerial vehicle causing a �ight time longer than

just getting the electrical power of LiPo battery without producing pollutants, helping

the environment and scienti�c and military community working in areas of di�cult

access for testing, photographs, etc.

Photocells and supercapacitors not generate any waste of electricity it generates

only the amount needed for the LiPo battery and the remaining is stored, used just

when needed, and so on.

Instituto Politécnico Nacional ESIME Zacatenco

Índice general

Resumen I

Índice de �guras V

Acrónimos y abreviaturas VII

Objetivos particulares IX

1. Introducción 11.1. Historia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2. Vehículos autónomos no tripulados 32.1. Hexacopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Aplicaciones civiles de los vehículos aéreos no tripulados . . . . . . . 4

3. Motores 93.1. Motor de combustión externa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.2. Motor de combustión interna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93.3. Motor de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.4. Motor de corriente directa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.5. Máquinas de corriente directa con imán permanente . . . . . . . . . . 15

3.5.1. Servo motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163.5.2. Motor sin escobillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4. Fotoceldas 194.1. La Energía Solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194.2. Luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

4.2.1. Propiedades de la luz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204.2.2. Fotón . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.2.3. El efecto fotoeléctrico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.3. Materiales semiconductores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254.3.1. Tipo de fotoceldas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3.2. Paneles fotovoltaicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

III

IV ÍNDICE GENERAL

5. Supercapacitores 335.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.2. Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.3. Supercapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.4. Aplicaciones de los supercapacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6. Fuentes de alimentación 396.1. Fuente de alimentación de corriente alterna . . . . . . . . . . . . . . . 396.2. Transformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.3. Recti�cación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.4. Filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.5. Regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426.6. Baterías eléctricas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

6.6.1. Especi�caciones de las baterías LiPo . . . . . . . . . . . . . . 46

7. Implementación del hardware 497.1. Descripción general del hexacopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

7.1.1. ArduPilot Mega 2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.1.2. Motor sin escobillas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517.1.3. Controlador electrónico de velocidad . . . . . . . . . . . . . . 517.1.4. Supercapacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.1.5. Batería LiPo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537.1.6. Modulo de fotoceldas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

7.2. Construcción del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

8. Resultados 57

9. Conclusiones y trabajo a futuro 659.1. Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.2. Conclusiones del sistema desarrollado . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659.3. Recomendaciones para el trabajo a futuro . . . . . . . . . . . . . . . 66

Appendices 67


Índice de �guras

2.1. Con�guración del los motores del hexacopter . . . . . . . . . . . . . . 42.2. Hexacopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

3.1. Grá�ca de fase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103.2. Fases de campos magnéticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113.3. Fuerza magnética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123.4. Servomotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

4.1. Re�exión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214.2. Refracción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224.3. Esparcimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234.4. Disfusión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244.5. Zona P-N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264.6. Panel fotovoltaico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284.7. Circuito de panel solar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304.8. Circuito de dos paneles solar conectados en paralelo . . . . . . . . . . 314.9. Ilustración de dos paneles solar conectados en paralelo . . . . . . . . 31

5.1. Esquema de un capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2. Tipos de capacitores convencionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.3. Esquema de un supercapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.4. Supercapacitor Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365.5. Esquema de construcción de tres capacitores . . . . . . . . . . . . . . 37

6.1. Transformador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406.2. Puente recti�cador de media onda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416.3. Filtrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

7.1. Con�guración tipo X del hexacopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507.2. Con�guración tipo X de los motores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527.3. Conexión serie de supercapacitores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537.4. Baterí LiPo conectada con los supercapacitores . . . . . . . . . . . . . 547.5. Primer diseño del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557.6. Segundo diseño del circuito . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

V

VI ÍNDICE DE FIGURAS

8.1. Grá�ca de descarga de voltaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588.2. Grá�ca de descarga de corriente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588.3. Grá�ca de descarga de voltaje. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598.4. Grá�ca de descarga de corriente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598.5. Grá�ca de descarga de voltaje de la batería LiPO. . . . . . . . . . . . 608.6. Grá�ca de descarga de corriente de la batería LiPo. . . . . . . . . . . 608.7. Grá�ca de descarga de voltaje de los supercapacitores. . . . . . . . . 618.8. Grá�ca de descarga de corriente de los supercapacitores. . . . . . . . 618.9. Grá�ca de descarga de voltaje de los supercapacitores. . . . . . . . . 628.10. Grá�ca de descarga de corriente de los supercapacitores. . . . . . . . 628.11. Grá�ca de irradiancia midiendo la energía eléctrica en la batería LiPo. 638.12. Grá�ca de irradiancia midiendo la energía eléctrica en los supercapa-

citores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63


Acrónimos y abreviaturas

A � Amperea � ÁreaC � Constante de la luz 300 000 000 m/sCA � Corriente alternaCD � Corriente directacm � Centímetrocm2 � Centímetro por metro cuadradoD � DistanciaESC � Electronic speed controller (Controladores electrónicos de velocidad)ESR � Equivalent series resistance (Resistencia equivalente en serie)F � FaradiosFEM � Fuerza electromagnéticagr � GramoHP � Horse power (Caballo de fuerza)kV � KilovoltskW � KilowattskWh/m2 � Kilowatt por hora sobre metro cuadradoLiPo � Polímero de litomAh � Miliampere-horamA � Miliamperemm � MilímetromW � Miliwattsnm � NanómetrosPmax � Máxima potenciaR � Resistencia eléctricaRPM � Revoluciones por minutoS � Celda en serieseg � SegundosUMI � Unidad de medición inercialV � VoltVANT � Vehículo aéreo no tripuladoW � WattW/m2 � Watt sobre metro cuadrado

VII

Objetivo general

Construir y diseñar una fuente de alimentación eléctrica implementando foto cel-

das, súpercapacitores y una batería de polímero de litio (LiPo) para aumentar el

tiempo de vuelo de un vehículo aéreo no tripulado(VANT) de 6 motores sin escobi-

llas.

Objetivos particulares

Mejorar el tiempo de utilización de la batería LiPo en el VANT.

Ejecutar un conjunto de pruebas en diferentes escenarios que permitan validarel funcionamiento del sistema.

Construir un sistema con los supercapacitores y el panel fotovoltaico que seamenor a las restricciones del fabricante del VANT para acoplarlo a este.

IX

X


Justi�cación

La necesidad de seguir explorando el espacio aéreo en el tiempo actual es mas

común que hace un siglo, ya que, con la tecnología actual, es más fácil tener acceso a

vehículos aéreos no tripulados y de esta manera controlarlos de forma remota. Gracias

a esto se estimula el área de la aviación para su uso en problemas donde no se ponga

en riesgo la vida humana. Las posibles aplicaciones de los VANT son numerosas y

abarcan desde las áreas militares hasta las de inspección, seguridad y exploración; o en

ciertas aplicaciones donde se requiere de un vehículo que sea capaz de realizar vuelos

de manera autónoma, como en ambientes con alto grado de radiación nuclear, altas

radiofrecuencias, toxicidad, estudios de inventigación, y ayuda en desastres naturales,

entre otros.

Por otra parte, el tiempo de vuelo de los VANT's es muy corto por el tipo de batería

que emplea. En este proyecto de tesis se implementa un tipo de fuente de alimentación

de energía renovable con foto celdas y súper capacitores que por sus capacidades y

propiedades pueden combinarse con la batería LiPo y así generar un tiempo de vuelo

más extenso y no suspender algún tipo de activad por falta de energía, ya que una

sola misión con un VANT puede durar mas tiempo de lo que puede proporcionar la

baterí LiPo, las misiones a menudo involucran uno o más cambios de baterías y esto

puede generar más costos y pérdidas en la misión, como técnicas de vuelo, tiempo,

dinero.

XI

XII


Capítulo 1

Introducción

1.1. Historia

La historia de la aviación se remonta a la antigüedad, muy cerca de la historia dela humanidad. Desde sus orígenes las aves fueron fuente de admiración e inspiracióndel humano y las ganas de volar siempre estuvieron presentes [1].

En el siglo V los chinos inventaron un aparato capaz de volar, fue la cometa opapalote. Un invento que no supuso un gran avance pero que demostró la posibilidadque había de volar para otras especies además de las aves. Hubo que esperar hasta elsiglo XIII para que el inglés Roger Bacon descubriera que el aire era capaz de soportaruna máquina, tal como el agua lo hacía con los barcos. A partir de los pensamientosde Bacon, un siglo después, Leonardo Da Vinci realizó unos diseños que terminaronpor ser la inspiración de la hélice, el planeador, el helicóptero y el paracaídas. PeroDa Vinci además inventó un artefacto con alas como las de un pájaro que era movidomecánicamente y lo denominó ornitóptero. En el siglo XIX George Caley, un ingenieroaeronáutico inglés logró transportar humanos con cometas y planeadores, de igualmanera diseñó un aparato en forma de helicóptero que era propulsado por una héliceque estaba dispuesta en el eje horizontal.

No fue sino hasta el 17 de diciembre de 1903, cuando los hermanos Orville y WilburWright en Carolina del Norte, Estados Unidos, lograron elevarse en una aeronavepropulsada a motor y más pesada que el aire por un lapso de 59 segundos a unos 260metros. Desde ese día los hermanos Wright se consideran los pioneros de la aviaciónen el mundo entero [2].

Hoy día, las aeronaves se han vuelto muy so�sticadas y complejas en su cons-trucción, esto ha creado la necesidad de crear nuevos tipos de aéreonaves que nosean tripuladas para poder llegar a zonas de difícil acceso y reducir el costo de lafabricación de la nave.

La exigencia va más allá de sólo construir un vehículo aéreo, es decir, los obje-tivos son diversos, entre los cuales se puede destacar la elaboración de vehículos notripulados capaces de realizar tareas de forma autónoma, y poder ser monitoreadosvía satélite con la fínalidad de no poner en riesgo la vida humana.

1

2 Capítulo 1

El tiempo de vuelo de los VANT's es muy restringido por el tipo de batería (Laslimitaciones se explican en el capitulo 6 Fuentes de alimentación), ocupar la energíasolar mediante fotoceldas y almacenarla en un supercapacitor puede llegar a ser muysustentable para un VANT.

La energía solar ha existido desde la creación del Universo, los primeros humanosutilizaban la energía solar para calentar su cuerpo. Con el paso del tiempo en elsiglo III a.C en la antigüa Grecia con Arquímides, que enfrentó a los romanos y losgriegos utilizando espejos hexagonales hechos de bronce para re�ejar los rayos solares,concentrándolos en la �ota romana con el objetivo de destruirla.

Siglos después, en el Renacimiento, Leonardo Da Vinci pensó en utilizar el Solcomo fuente de energía. En 1515 inició un gran proyecto, nunca acabado, para laconstrucción con espejos cóncavos de un concentrador de 6Km de diámetro para laproducción de vapor y calor industrial.

En 1839, Edmund Becquerel, �±ico francés, descubió el efecto fotovoltaico, cuyoconocimiento, daría lugar al desarrollo y posterior comercialización de las celdas foto-voltaicas. Augustin Mouchot, desarrolló en el año 1868 los primeros sensores solares.Tras ello, serían muchos los que seguirían sus pasos, siendo especialmente destacablesJohn Ericsson, que en 1870 diseñó un colector parabólico que se ha seguido usan-do durante más de 100 años. Otro personaje de la historia de la energía solar fueFrank Schuman, que fundó en 1911 su empresa Sun Power Co, primer planta solar enTancony, Estados Unidos, que genero un total de 20kW . Tras ello, abrió su siguienteplanta solar en Maadi, Egipto, en 1912, que genero 88kW . En la actualidad, el usode la energía solar esta restringido, a prácticas agrícolas o edi�caciones. La energíasolar ha podido experimentar una adaptación a muchos otros procesos industrialescomo la refrigeración. Su nuevo auge se debe en gran medida al alto precio que hanalcanzado los combustibles fósiles.


Capítulo 2

Vehículos autónomos no tripulados

Un Vehículo aéreo no tripulado (VANT) es un vehículo controlado autónomamen-te con planes de vuelo programados desde tierra. Las aplicaciones de este tipo devehículos es cada día mayor en tareas que implican algún tipo de di�cultad o riesgopara vehículos convencionales tripulados por personas, como los mencionados en lajusti�cación.

Los sistemas de vehículos aéreos no tripulados, a pesar de no contar con un pilotonecesitan ser operados por humanos para su buen funcionamiento, ya que los algorit-mos actuales ó la tecnología actual aún no es capaz de tener un control completamenteautónomo [3].

Las primeras generaciones de los VANT's fue para uso militar, y a estos se lesconoce como vehículo de combate aéreo no tripulado, un ejemplo de ello es el re-conocimiento de misiles, ataques a blancos como bases militares ó ejercito móvil yvigilancia. Los avances tecnológicos sobre los VANT's en el área militar es muchomas avanzada que en el área civil, pues cuenta con mayor capital económico.

En el área civil las aplicaciones para los VANT's es amplia por su fácil manejo,haciendo que se adquieran para mejorar servicios como turísticos, petroleros, fotógra-fos, desastres naturales, agricultura, etc ó realizar mejores investigaciones como enlas disciplinas de la geología, geografía, oceanografía, etc.

Los VANT's están compuestos de una serie de sensores para lograr un sistemade control automatizado, ademas están compuestos por inteligencia arti�cial puedenser equipados con cámaras de video o fotográ�cas de alta o media de�nición para lacaptura de tomas aéreas.

3

4 Capítulo 2

2.1. Hexacopter

Es un vehículo aéreo no tripulado conformado por seis motores, no tienen aspasde cola para controlar la rotación, sino que en el caso del hexacopter los motoresestán alternados, los motores 1, 3 y 5 rotan en sentido horario y los motores 2, 4 y 6rotan en sentido anti-horario, con la �nalidad que el hexacopter compense la rotacióny así pueda permanecer estable y obtener vuelos precisos, como se muestra en la�gura 2.1. La principal ventaja es la capacidad de carga, esto es por el empuje quese tiene al despegar y son muy maniobrables obteniendo el despegue y el aterrizajede forma vertical. Su mayor desventaja es el tiempo de vuelo aproximadamente de 10a 15 minutos ya que los motores son controlados por cambios de velocidad, es decir,cambios de voltaje y corriente haciendo el consumo de energía eléctrica mas alto, porlo tanto el consumo de energía es mayor. En la �gura 2.2 se muestra el hexacoptercon el que se trabaja en este proyecto de tesis.

Figura 2.1: Con�guración del los motores del hexacopter

2.2. Aplicaciones civiles de los vehículos aéreos no

tripulados

Un VANT es un vehículo aéreo no tripulado, usado generalmente para el usocientí�co y militar, aunque recientemente se están utilizando en el medio civil comocomercial, educativo o simplemente de ocio. Las aplicaciones que puede ofrecer unVANT son casi in�nitas, es por ello que se ve un futuro muy prometedor para laindustria de estos vehículos, actualmente ya existen muchos usos diferentes como tomade fotografías aéreas, vídeos de vigilancia y/o investigación, entrega de paquetes. Laoperación o manipulación de un VANT es sencilla, por ello las aplicaciones estáncreciendo en gran medida, teniendo funcionalidades en las áereas de arquitectura,agricultura, topografía, seguridad, investigación, cartografía e incluso en algún tipo


Vehículos autónomos no tripulados 5

Figura 2.2: Hexacopter

de rescate. A un nivel tecnológico a los VANTs se les puede equipar con ciertosdispositivos como: infrarrojos, radares, GPS, cámaras de alta resolución, sistemas decomunicación satélital, etc.

Existen diferentes tipos de aplicaciones para los VANTs aparte de las militares, quenos facilitan tareas muy complejas ó que pueden ser de alto riesgo, la ventaja de usarestos vehículos es que podemos obtener información casi precisa de cualquier aéreadonde se pueda hacer un vuelo, aparte este tipo de información se puede conseguircasi en tiempo real y a bajo costo. A continuación se muestra en la tabla 2.1 un listadode las aplicaciones en la industria civil.

Aplicación Bene�cios Industria

Mapeo generalpara el Sistemade informacióngeográ�ca, pla-neación y mapeotopográ�co.

Por la baja movilización y el tiempo de proceso nose tiene que esperar para poder tomar una fotogra-fía convencional, pues con un UAV es más fácil porla forma de operación y el procesamiento de datos,pues puede ser usado para hacer actualizaciones deciertas áreas. Esto mejora la información, y costospues debido al alto costo de los proyectos de mapeoconvencionales era muy costos obtener informacióny actualizaciones en mapeos.

Investigación detipos de suelo,inventario deinfraestructura,transporte, agri-cultura, usos detierra.


6 Capítulo 2

Exploración derecursos natura-les, evaluación einventario.

Los bajos costos de operación signi�can que se pue-de obtener una amplia y potencial evaluación derendimiento antes de realizar alguna inversión. Pa-ra negocios a largo plazo, se realizan mejoras enlas perspectivas de retorno de inversión empresarial.Para el gobierno obtener información más completasigni�ca una mejor plani�cación para evitar con�ic-tos, desarrollo de infraestructura y población.

Negocios involu-crados en la ex-ploración de losrecursos natura-les.

Mapeo de hábi-tat de la fauna y�ora

Estudio de la migración, estudio del ecosistema te-rritorial de la fauna y �ora, monitoreo de especiesen peligro de extinción, monitoreo de nido de aves,evaluación ambiental, ideal para el monitoreo deciertas áreas para el estudio de aspectos tempora-les.

Cientí�cos delmedio ambiente,biólogos, zoólo-gos, botánicos,grupos de con-servación delmedio ambiente,departamentosgubernamenta-les y privadospara el medioambiente y vidasalvaje.

Exploraciónminera a cieloabierto (De-terminación devolúmenes derelieves y otrosmateriales.)

Monitoreo multi-temporal y cartografía de los tes-teros, relieves, y otras áreas de hundimiento o co-lapso, fallos de pared. los datos de este tipo de ac-tividades puede ayudar a la predicción de eventospeligrosos de manera que se puedan tomar medidaspara evitar estos fallos o para evitar la exposiciónde peligro al personal.

Industrias mine-ras, empresas dedragado, los or-ganismos de se-guridad y vigi-lancia del me-dio ambiente, elanálisis económi-co de la produc-ción, operacionesde super�cie pa-ra minas.

Cartografía delas característi-cas naturales yculturales

Actualizaciones de mapas de inundación, mapas dereferencia, cuando los cambios de la super�cie sonmuy evidentes se pueden hacer un mapa rápida-mente con un UAV, este tipo de mapeo sirve parael gobierno y empresas para el servicio de emergen-cias (Servicio publico, medicinas, alimentos). El te-rreno mapeado puede ser usado para la simulacióny prevenciones de inundaciones.

Organizacionesde plani�cación.


Vehículos autónomos no tripulados 7

Mapeo paraevaluación dedaños durantedesastres na-turales comoinundaciones eincendios.

Actualización de datos casi en tiempo real para ob-tener información sobre los avances de los desastresnaturales (Incendios, inundaciones), control sobrelas rutas de evacuación para la gestión de trá�co.

Departamentode emergencias,operaciones derescate, cons-trucciones deemergencias,rutas de evacua-ción, noti�caciónde desastres.

Bienes raíces. El inventario de bienes raíces convencional es unproceso lento y costoso, que muchos lo evitan, ladesventaja de evitarlo es que la contabilidad realis-ta no es posible.

Para monitorearlas huellas deconstruccióny obtener uncosto estimado,para las áreas dedifícil acceso.

Inventario fores-tal.

La silvicultura es un industria muy importante y losbosques son un recursos muy importante en muchospaíses y regiones, mientras que los satélites y la fo-togrametría convencional siguen siendo la tecnolo-gía mas ocupada para estas actividades, los VANTestán tomando gran impacto en estas actividades,por el costo y por la gran obtención de información.Mapeo de la invasión, la tala ilegal y otros usos delos recursos públicos o privados; También es útilpara el monitoreo de asentamiento de población, laplani�cación y diseño de instalaciones, tales comocarreteras, y la recolección de madera y estacionesde procesamiento.

Departamentosforestales, De-partamentos demedio ambiente,organizacionesdel cuidado delmedio ambiente.

Monitoreo decultivos.

Utilizando infrarrojos para detectar el calor y rea-lizar mediciones terrestres para detectar el tiempoideal para realizar la cosecha, como se utiliza enlos viñedos donde ha surgido un amplio crecimien-to con los VANTS.

Agricultura,Agronomía.


8 Capítulo 2

Inventario deplantaciones,control y de-tección deenfermedades.

Dependiendo de la plaga o la enfermedad, median-te mapas foto mosaicos ó ortofoto se puede evaluarla gravedad y realizar un plan de acción correctiva,lo que puede incluir la destrucción de árboles en unradio determinado sin realizar una visita en el lugarinfectado. Una vez solucionado el problema, se pue-de monitorear VANT los avances de recuperación.Sobre todo en países donde el cultivo o los camposes su principal fuente de comercio.

Gerentes de mo-nocultivos, Agri-cultura.

Evaluaciónarqueológica.

Mapeo con infrarrojos puede ayudar a detectar si-tios o características que no se pueden encontrar enuna fotografía de RGB

Departamentosgubernamenta-les, academiasen arqueología.

Vigilancia enpuertos, aero-puertos y otrossitios a susalrededores.

Con el software de detección de cambios y median-te un VANT se pueden vigilar las zonas sensiblesdonde un ataque pueda destruir la propiedad, de lamisma manera sobre robos y contrabando.

Aduanas, puer-tos marítimos,aeropuertos.

Tabla 2.1: Aplicaciones civiles de los vehículos aéreos notripulados [4].


Capítulo 3

Motores

Existen una amplia variedad de formas de VANT's como en tamaño, con�gura-ción y diseño, algunos trabajan con servomotores y otros con motores sin escobillasdependiendo el fabricante.

EL VANT con el que se trabajo en este proyecto de tesis es un hexacoper de lamarca 3D Robotics que contiene 6 motores sin escobillas como antes fue mencionado,por eso es importante conocer el tipo de motor que emplea pues sin la presencia deestos motores esta aeronave no podría volar.

Un motor es un dispositivo capaz de convertir algún tipo de energía (Eléctrica,química, térmica) en energía mecánica a través de un movimiento rotatorio. Existenvarios tipos de motores como son:

Motor de combustión interna.

Motor de combustión externa.

Motor eléctrico.

• Motor de corriente alterna.

• Motor de corriente directa.

3.1. Motor de combustión externa

Son máquinas térmicas cuya combustión se realiza en un aparato externo al motor,el cual sirve para generar el calor que luego se ha de convertir en trabajo. Este es el casode las máquinas de vapor, en donde la transformación del calor en trabajo mecánicono se realiza directamente, sino a través de distintas transformaciones intermedias [5].

3.2. Motor de combustión interna

Este motor produce en su interior una combustión y unos gases a alta presión ytemperatura que producen el movimiento del motor transformando en trabajo mecá-

9

10 Capítulo 3

nico directamente en el interior del mismo motor. A su vez, estos pueden clasi�carsesegún los procedimientos empleados para lograr la combustión, exiten varios tipos demotores como el motor ciclo otto, el motor diesel, el motor rotativo, y la turbina decombustión [5].

3.3. Motor de corriente alterna

El motor de corriente alterna basa su funcionamiento en la acción que ejerce elcampo magnético giratorio generado en el estátor sobre las corrientes que circulanpor los conductores situados sobre el rotor, esto se menciona a continuación. Lacaracterística común de todos los motores de corriente alterna es un campo magnéticorotatorio producido por el devanado del estator. Este concepto puede ser ilustradopara los motores trifásicos, considerando tres bobinas localizadas a 120◦ de separación.Cada bobina está conectada a una fase de una alimentación trifásica. La corriente através de cada bobina varía senoidalmente con el tiempo, defasada 120◦ con respectoa las otras bobinas. Esto signi�ca que la corriente en la bobina B está retrasada 1/3de período con respecto a A y la corriente en la bobina C está retrasada 1/3 de unperiodo con respecto a B. Como se muestra en la �gura 3.1.

Figura 3.1: Grá�ca de fase

En el tiempo 0, la corriente en la bobina A es un máximo, mientras las corrientesen las bobinas B y C están a la mitad de sus máximos valores y son negativas. Loscampos magnéticos se suman para producir un campo neto en la dirección de A, conuna intensidad 1.5 veces mayor que si la bobina A actuara sola. En el tiempo 1, lacorriente en la bobina B es un máximo, mientras que las corrientes en A y C son la


Motores 11

mitad de sus máximos valores y negativas. El campo magnético es 1.5 veces mayoren magnitud y en la dirección del campo con respecto a la bobina B. En el tiempo 2,el campo está en la dirección de C, como se muestra en la siguiente �gura3.2 [6].

Figura 3.2: Fases de campos magnéticos

3.4. Motor de corriente directa

El motor de corriente directa es un convertidor electromecánico rotativo que gra-cias a los fenómenos de inducción y de par electromagnético transforma la energíaeléctrica en energía mecánica, la misma máquina puede funcionar como motor o ge-nerador, dependiendo de la dirección del �ujo de corriente a través de ella, accionadospor una fuente de corriente CD. Los motores de corriente directa rara vez se utilizanen las aplicaciones industriales ya que todos los sistemas eléctricos suministran co-rriente alterna. Un motor eléctrico sencillo de corriente continua se mueve debido aque existe un campo electromagnético que atrae el lado opuesto del rotor hasta quellega a una determinada posición donde unas escobillas en contacto con el positivo ytierra cambian la polaridad para que de nuevo sea atraído el lado opuesto del rotor yasí crear un movimiento continuo. [7].

Estos dispositivos pueden tener una característica de par o momento de torsión-velocidad (El momento de torsión se de�ne como la tendencia a producir un cambioen el movimiento rotacional [8]) muy de�nida (Como una bomba o ventilador) o unaextremadamente variable (Como un automóvil). La característica de par o momentode torsión-velocidad del motor debe ser adaptada al tipo de carga que tiene queimpulsar, y este requerimiento ha dado lugar a tres tipos de básicos de motores [9]:

Motores en derivación.

Motores en serie.

Motores compuestos.

La máquina de corriente directa requiere un sistema de escobillas y conmutadorpara producir corriente, la regla de la mano derecha muestra que las corrientes delrotor producen un �ujo ascendente, un polo sur en el fondo y un polo norte en la parte


12 Capítulo 3

superior, como se muestra en la �gura 3.3. Estos polos son atraídos hacia los polosopuestos correspondientes del estator (El estator es el elemento que opera como base,permitiendo que desde ese punto se lleve a cabo la rotación del motor. El estator nose mueve mecánicamente, pero si magnéticamente.), y las corrientes producen un parsobre el rotor en el sentido de las manecillas del reloj [10].

Figura 3.3: Fuerza magnética

Fuerza electromotriz

El VANT con el que se trabaja en esta tesis utiliza como antes fue mencionadoseis motores sin escobillas que funcionan mediante la fuerza electromotriz, por la cualla fuerza electromotriz funciona cuando se hace girar el rotor en el �ujo producidopor el campo, se produce un voltaje de corriente alterna en cada conductor del rotor.Estos voltajes son recti�cados y sumados por el sistema de escobillas y conmutadorpara producir una fuerza electromotriz, tambíen conocida como FEM, de corrientedirecta. Por la Ley de Faraday, esta FEM es proporcional al �ujo y a la velocidad derotación; por lo tanto se expresa de la siguiente manera,

E = KEΦωm (3.1)

donde Φ es el �ujo de estator, ωm es la velocidad angular, KE es una constante quedepende del tamaño del rotor, del número de vueltas del rotor y de los detalles deinterconexión de estas vueltas [10].

Potencia y par ó momento de torsión mecánicos

La potencia y el par o momento de torsión de un motor de CD son dos de suspropiedades más importantes. De acuerdo con la ecuación 3.1, la FEM inducida en unaarmadura de devanado imbricado (devanado en serie sencillo) o de lazo se derivará,La potencia eléctrica Pa suministrada a la armadura es igual al voltaje de suministro


Motores 13

Es multiplicado por la corriente I en la armadura:

Pa = EsI (3.2)

Es es igual a la suma de E más la caída IR en la armadura:

Es = E + IR (3.3)

se deduce que:Pa = EsI = (E + IR)I = EI + I2R (3.4)

el termino I2R representa el calor disipado en la armadura, el término EI es lapotencia eléctrica que es convertida en potencia mecánica. Por lo tanto, la potenciamecánica de motor es exactamente igual al producto en la FEM multiplicada por lacorriente en la armadura [9]:

P = EI (3.5)

donde P es la potencia mecánica desarrollada por el motor, su unidad de medida esel Watt [W] E es la voltaje inducido en la armadura (FEM), su unidad de medida esel Volt [V] I es la corriente total suministrada a la armadura, su unidad de medida esel Ampere [I]

Velocidad de rotación

Cuando un motor de CD impulsa una carga entre las condiciones sin carga y plenacarga, la caída IR provocada por la resistencia de la armadura siempre es pequeñacomparada con el voltaje de suministro Es. Esto indica que la FEM Ees casi igual aEs. E se puede expresar como,

E =ZnΦ

60(3.6)

sustituyendo E por Es, se obtiene:

Es =ZnΦ

60(3.7)

es decir,

n =60Es

ZΦ(3.8)

donde n es la velocidad de rotación, Es es la voltaje de la armadura y Z es la númerototal de conductores en la armadura. Esta ecuación muestra que la velocidad delmotor es directamente proporcional al �ujo por polo [9].

El comportamiento de los motores CD se comparan frecuentemente por su regu-lación de velocidad (SR) y esta se de�ne como,

SR =wnl − wfl

wf lx100 (3.9)


14 Capítulo 3

La regulación de velocidad positiva signi�ca que la velocidad del motor disminuye conel aumento de carga y una regulación de velocidad negativa signi�ca que la velocidaddel motor aumenta con la dismunición de carga. La magnitud de la regulación develocidad dice, qué tan empinada es la pendiente de la curva par-velocidad. Lascurvas de par-velocidad de un motor CD describen la capacidad de producción de unpar estático (El eje de motor no es rotativo) del motor respecto al voltaje aplicado ya la velocidad del motor [7]. Los motores CD tienen dos bobinas separadas una en elestator y otra en la armadura.

Pérdidas

Las pérdidas que se producen en una máquina de corriente continua pueden divi-dirse en estos grupos:

Pérdidas rotacionales. Incluyen todas las pérdidas que dependen de la velocidadde rotación de la máquina, es decir, dependen de la velocidad de la máquina.

• Pérdidas mecánicas: Son debidas a la fricción de los cojines, ventilación yfricción en las escobillas.

• Pérdidas magnéticas en el hierro: Consiste en las pérdidas por histére-sis(Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que semani�esta en forma de calor en los núcleos magnéticos) y corrientes pa-rásitas de Focault, las corrientes de Foucault, o corrientes parásitas, soncorrientes que circulan en el interior de conductores como consecuencia decampos magnéticos variables con el tiempo en los mismos [11] en la arma-dura ya que debido a la rotación el �ujo magnético cambia continuamentede dirección en la armadura. Para limitar estas pérdidas la armadura sehace de acero silicio laminado [12].

Pérdidas en el cobre. Estas pérdidas se producen por efecto Joule en los arro-llamientos de la máquina y son los siguientes:

• Pérdidas en el arrollamiento de armadura.

• Pérdidas en los arrollamientos de campo.

• Pérdidas en los interpolos.

• Pérdidas en el arrollamiento de compensación.

• Pérdidas por contacto en las escobillas.

Pérdidas Dispersas. La distorsión del �ujo principal por la reacción de armadura,el efecto pelicular en los conductores y las corrientes de cortocircuito de lasbobinas durante la conmutación producen pérdidas adicionales muy difíciles dedeterminar que se denominan pérdidas dispersas y que en las máquinas grandes(200 caballos de potencia) son aproximadamente de 1 % de la potencia nominal.En las máquinas pequeñas se suele despreciarlas [12].


Motores 15

3.5. Máquinas de corriente directa con imán perma-

nente

Los micromotores de precisión habitualmente están equipados con imanes perma-nentes que permiten altas prestaciones, estas máquinas de CD de imán permanente seutilizan mucho en una amplia variedad de aplicaciones de baja potencia. El devanadode campo es reemplazado por un imán permanente que simpli�ca la construcción. Losimanes permanentes ofrecen varios bene�cios útiles en estas aplicaciones. La ventajaprincipal es que no requieren exicitación externa y disipación de potencia asociadapara crear campos magnéticos en la máquina, favorece las operaciones de posición ocontrol de velocidad. Estas máquinas están sujetas a limitaciones impuestas por losmismo imanes, como, el riesgo de desmagnetización debido a las corrientes excesivasen los devanados del motor o debido al sobrecalentamiento del imán, además, losimanes permanentes están un tanto limitados en la magnitud de la densidad de �ujoa través del entrehierro (espacio entre el rotor y el estator)que pueden producir [13].

Características

Baja inercia: La baja inercia del rotor facilita altas aceleraciones y fácil frenado,en aplicaciones de posicionamiento esto se puede traducir como menor tiempopara ir de un punto a otro permitiendo mejoras en la productividad.

Baja inductancia: Un motor sin hierro puede tener la inductancia de la bobinaunas 14 veces menor que un motor de C.D. convencional de potencia similar,esto signi�ca que una vida útil más larga, en las mismas proporciones.

Elevada e�ciencia: Utilizan casi toda la energía eléctrica (aproximadamente90 %) consumida conviertiéndola en mecánica, esto permite que sea ideal pa-ra aplicaciones con sistemas de radio frecuencia donde se requieren baterías, odonde el consumo eléctrico sea un factor importante.

Emisión electromagnética (EMC): La redución de EMC es muy poca debido asu bajo ruido eléctrico.

Imán: El motor de C.D. tiene una gran concentración de potencia gracias alos imanes de Neodimio, una tierra rara de la tabla periódica de los elementosquímicos. El imán de neodimio produce un campo magnético 25 veces superiora un imán convencional de Ferrita. Esto permite conseguir altas potencias entamño reducido.

Relación lineal: voltaje/velocidad, carga/velocidad y carga/corriente. Esto sig-ni�ca que se puede calcular el motor de C.D. de manera sencilla y �able. Sucomportamiento es el mismo en todo el rango de funcionamiento.


16 Capítulo 3

Vida útil: Debido a la baja inductancia y al colector de múltiples delgas, seproduce una chispa en la escobilla 14 veces menor que un motor convencional,alargando su vida en servicio en las mismas proporciones. Si consideramos estefactor en el diseño de máquinas y se calculan los costes de sustitución y parada demáquina, son motores C.D. muy rentables, aunque el coste inicial pueda parecerun poco más elevado. Se pueden alcanzar las 10, 000 horas aproximadamente defuncionamiento si el motor está bien calculado.

3.5.1. Servo motores

Los servo motores se inventaron para utilizarse como elementos de control en mo-delos teledirigidos, tenían un sistema mecánico que controlaba la posición. El sistemaera muy básico y era secuencial, el motor pasaba por todas las posiciones mecánicashasta llegar al punto deseado. Para poder controlarlos vía radio se creo un sistema decontrol basado en el ancho de pulso (PWM Pulse Width Modulation, por sus siglas eningles)para controlar la posición del motor. Este pulso mantiene el servo en la posicióncentrada. Si el pulso es más corto, por ejemplo 1 ms el servo gira a la izquierda, si elpulso es mayor, por ejemplo 2 milisegundos, el servo gira a la derecha. El movimientodel servo es proporcional al pulso que se le aplica. Otra particularidad que tiene estepulso es su frecuencia de refresco, que en este caso es de 50 Hertz, lo que equivalea mandar un pulso de control cada 20 milisegundos. Los servos modernos dejan decontrolar el motor, tan pronto como se dejan de mandar los pulsos de control. Poreso, para controlar un servo hay que mandar los pulsos de control una 50 veces porsegundo. Si pasa mas tiempo sin mandar los pulsos, el servo entra en reposo y comoconsecuencia su consumo baja a apenas 8 mA, lo que en algunas aplicaciones puedeser adecuado de usar.

Otra particularidad que tienen los servos es que su movimiento es limitado en lamayoría de los casos a 180◦. En los sistemas originales controlados vía radio, el rangode movimiento es de 90◦, es decir, 45◦ hacia cada lado desde la posición central, yaque el ancho del pulso va desde los 0.9 segundos a los 2.1 segundos. Esto es su�cientepara mover los diferentes mandos de los modelos, la dirección, el acelerador, etc.En la práctica, el 95 % de los servos trabajan con pulsos entre los 0.5 segundos ylos 2.5 segundos, consiguiendo movimientos de 180◦ − 190◦ aunque todo esto varialigeramente por arriba y por abajo según diferentes modelos y fabricantes.

Esta restricción en el movimiento tuvo como consecuencia que el sistema de sensorde la posición se pudiera reducir a un simple potenciómetro (Dispositivo que su resis-tencia puede cambiar de valor), con ello se simpli�ca el servo desde el punto de vistaeléctrico y además abarata su valor comercial y disminuye su peso. El potenciómetrose encuentra conectado mecánicamente al eje de salida del servo de forma que los dosse mueven a la vez. De ahí la di�cultad de hacer que un servo gire mas de 270◦, yaque mecánicamente está limitado por el giro del potenciómetro.

En el campo de la eléctronica, los servos son circuitos que se encuentra en equili-brio. El equilibrio se mantiene entre el ancho del pulso de control y la señal que recibe


Motores 17

del potenciómetro. Cuando se manda un pulso de control, el equilibrio se descompen-sa y el circuito mueve el motor y al potenciómetro hasta que consigue que la señal queprocede del potenciómetro equilibre de nuevo el circuito. Una vez que el eje alcanzala posición de equilibrio, el motor se para y se mantiene en esa posición, si se ejercefuerza externa para intentar mover el eje, el servo reaccionará intentando mantenerla posición correspondiente al pulso de control que recibe. Generalmente los servosmotores funcionan con tensiones comprendidas entre los 4.8V y los 6V donde 6V esla tensión máxima recomendada y en la que se obtiene mas potencia, rendimiento yvelocidad. En algunos servo motores se puede aceptar los 7.2V , pero no es común yesto pueden dañar los servo motores [14]. En la �gura siguiente se muestra una �guradonde se observa los componentes de un servo motor 3.4.

Figura 3.4: Servomotor

3.5.2. Motor sin escobillas

Son llamados motor CD electrónicamente conmutados y estos destacan por sucaracterísticas excelentes como par, rango de velocidades amplio y su duración, sonmotores trifásicos de alto rendimiento y bajo peso. No tiene conmutación mecánicaal no tener escobillas, sin embargo, requiere una electrónica externa para realizarla conmutación, su línea de velocidad-par largamente lineal permite una excelenteregulación, llegar al 90 % de e�ciencia aproximadamente aprovechando la energíaeléctrica, convirtiéndola en potencia mecánica y generando menos calor, contiene unabaja costante eléctrica de tiempo y reducida inductancia, por la tanto, mínimo ruidoeléctrico o interferencias eléctricas, sus altas velocidades incluso con voltaje bajo,puede alcanzar entre 50000-100000 rpm (revoluciones por minuto) aproximadamenteen algunos casos, su giro es suave por no tener par de retención.


18 Capítulo 3

Existen comercialmente motores sin escobillas y no dejan de ser maquinas eléc-tricas normales aunque funcionan con corriente alterna, para poder alimentarlos concorriente directa, se necesita un dispositivo llamado variador o ESC (Electronic SpeedController), por su siglas en ingles) que transforma la corriente directa en una tensiónaltnerna trifasica (Lo ideal es que fuera sinusoidal, aunque en la practica se utilizaránPWM (Modulación por ancho de pulso)).

Se puede cambiar el sentido de la rotación con solo invertir entre si dos de los trescables que unen al controlador electrónico de velocidad con el motor sin escobillas.

Los motores sin escobillas permiten conseguir un gran rendimiento y una granpotencia a cambio de un gran consumo. Debido a esto, se utilizan baterías LiPo (Po-límero de litio), las cuales son baterías con poca densidad de energía en comparacióncon otras pero con una característica única, pueden entregar una gran cantidad depotencia, ya que los motores sin escobillas necesitan aproximadamente de 10 A y unatensión de 11 V .


Capítulo 4

Fotoceldas

Las fotoceldas son dispositivos que están conformados por semiconductores tipodiodo, los cuales, al recibir radiación solar mediante un proceso químico se excitany provocan que los electrones salten, produciendo una corriente eléctrica y ciertovoltaje.

4.1. La Energía Solar

El Sol es un tipo de estrella enana amarilla tipo G2, con una vida de aproximada-mente 500 millones de años, con una temperatura en su súper�cie de 6000 ◦C y es lafuente más grande de radiación electromagnética que se encuentra en nuestro sistemasolar. La radiación solar, es producida por la fusión del hidrógeno en átomos de helio.Su unidad de medición es kWh/m2. Su masa representa el 98.6 % del sistema solar,que es orbitado por los 8 planetas actualmente conocidos.

La luz que emite el Sol viaja a una distancia de 8 minutos y 20 segundos aproxi-madamente hacia la Tierra y llega en forma de fotones con una propagacíon de 300000 Km/seg. Su energía radiada es la principal fuente de energía renovable y limpiapara nuestro planeta llamada energía verde. Mediante ésta se rigen todos los ciclosde vida químicos y físicos, como la fotosíntesis, el clima, el ciclo del agua, el día yla noche, las estaciones del año, entre otros [15]. La energía obtenida del Sol porcualquier tipo de ser vivo o algún dispositivo es llamada energía solar. El Sol emitediferentes tipos de longitudes de onda, esto es llamado ancho de banda; por ejemplolos rayos ultravioleta, rayos infrarrojos y el espectro visible (Es la región del espectroelectromagnético que el ojo humano puede observar) [16].

La máxima intensidad de radiación solar pura que puede llegar a un punto sobrela Tierra es de 1.4 kWh/m2, la cual se atenúa en el trayecto del Sol a la Tierra. A lasuper�cie de la Tierra le llegan 3 tipos de radiaciones;

Radiación directa: Es la que llega a la Tierra en línea recta desde el Sol.

Radiación difusa: Se difunde y se dispersa al entrar en la atmósfera sufriendocambios de dirección.

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20 Capítulo 4

Radiación de Albedo: Procede de cuerpos cercanos(La radiación re�ejada porla super�cie terrestre).

La irradiancia es la magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra, suunidad de medición es W/m2. La intensidad de radiación que llega a la parte exteriorde la atmósfera de la Tierra tiene el nombre de constante solar (G), teniendo un valorestablecido de 1353W/m2, al pasar la atmósfera esta se cuanti�ca y la constante solares de 1100 W/m2. [17]

La energía solar se puede utilizar de diversas formas y/o aplicaciones sin la necesi-dad de algún tipo de dispositivo, como la obtención de calor y luz. Básicamente, conun adecuado diseño, contrucción y empleado correctamente, las propiedades físicasy químicas de los materiales se pude crear un dispositivo que pueda transformar laenergía solar en energía eléctrica, como las celdas fotovoltáicas.

4.2. Luz

La luz es una forma de radiación electromagnética, llamada energía radiante. Laenergía radiante �uye en forma de ondas en cualquier medio, con una propagaciónrectilínea, y sólo se puede percibir cuando interactúa con la materia que permitesu absorción o re�exión. Por deducción debe de existir un cuerpo emisor de energíaradiante y otro cuerpo receptor. Esta interacción o transferencia de energía de uncuerpo a otro se denomina radiación [18]. Físicamente se puede interpretar la luz de2 maneras, asociadas entre sí:

Como una onda electromagnética,

Como una partícula

4.2.1. Propiedades de la luz

Re�exión

La re�exión de la luz ocurre cuando las ondas electromagnéticas chocan con unasuper�cie que no puede absorber la energía radiante. La onda que es llamada rayoincidente se re�eja y produce un haz de luz, denominado rayo re�ejado. La re�exiónespecular ocurre cuando la luz choca con una super�cie no absorbente y rugorizadamucho mayor a la longitud de onda de la luz incidente. En la re�exión especular unsolo rayo incidente produce un único rayo re�ejado. En el punto de incidencia el rayoincidente, el rayo re�ejado y la perpendicular a la super�cie límite se encuentran en elmismo plano. Si la super�cie es rugosa, los rayos re�ejados se proyectan en todas lasdirecciones por que la normal en diferentes puntos puede ser distinta, produciéndoseuna re�exión difusa.

El rayo incidente y el rayo re�ejado poseé iguales ángulos en relación con la perpen-dicular y se encuentran sobre lados opuestos de ella como se muestra en la �gura 4.1.


Fotoceldas 21

Figura 4.1: Re�exión

Refracción

Cuando la luz pasa de un medio transparente a otro de diferente densidad seproduce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación quetiene la luz en los diferentes medios materiales. A este fenómeno se le llama refracción.La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de propagación de unalongitud de onda determinada en una sustancia se conoce como índice de refracciónde la sustancia para dicha longitud de onda. El índice de refracción del aire es 1,00029nm y apenas varía con la longitud de onda. Por eso, a la velocidad de la luz en el airese la considera directamente igual al vacío (valor = 1). Por lo general, cuando la luzllega a la super�cie de separación entre los dos medios se producen simultáneamentela re�exión y la refracción. Esto se muestra en la �gura siguiente 4.2.

Con los datos de la re�exión y refracción se pueden determinar los factores deíndice de refracción, ángulo de refracción mediante la ley de Snell, que dice que elproducto del índice de refreacción por el seno del ángulo de incidencia es contantepara cualquier rayo de luz incidiendo sobre la super�cie separada de dos medios.Aunque la ley de Snell fue formulada para explicar los fenómenos de refracción de laluz se puede emplear para todo tipo de ondas atravesando alguna super�cie que seencuentre separada dos medios en los que la velocidad de propagación sea distinta. Acontinuación se muestra la fomula de la Ley de Snell

η1 ∗ (sen ∗ θ1) = η2 ∗ (sen ∗ θ2) (4.1)

donde η es el índice de refracción y θ es el ángulo de refracción.


22 Capítulo 4

Figura 4.2: Refracción

Se denomina índice de refracción, al cociente entre la velocidad de la luz en elvacío y la velocidad ε de la luz en un medio transparente;

η = C/ε

Dispersión

La velocidad de una onda electromagnética es el producto de su longitud de onday de su frecuencia. En el vacío, la velocidad es la misma para todas las longitudes deonda del espectro visible. Pero cuando atraviesa sustancias materiales la velocidad sereduce y se altera para cada una de las distintas longitudes de onda del espectro. Esteefecto es llamado dispersión. La causa de que se produzca la dispersión es debidoal índice de refracción de una sustancia el cual varía según la longitud de onda,disminuyendo para las longitudes de onda más extensas (él rojo), que se desvíanmenos que las cortas (azul-violeta). Cuando la luz atraviesa un prisma, el rayo desalida ya no es paralelo al rayo incidente y gracias a la dispersión puede separar lasdiferentes longitudes de onda contenidas en un haz incidente y formar un espectro,como se muestra en la �gura ??, [18].

Absorción

Una característica principal para el funcionamiento de las fotoceldas es, la absor-ción, ya que sin esta propiedad no se podría producir la energía electrica.La absorción es la conversión de luz en otra forma de energía, generalmente en energíacalórica, en energía eléctrica, o en energía química. También puede ocurrir que cambiea una radiación de diferente longitud de onda (�uorescencia). La pérdida de energíaestá directamente relacionada con el tipo de material, su transparencia u opacidad.Cada material tiene un coe�ciente de absorción, que varía para cada longitud de onda.


Fotoceldas 23

Figura 4.3: Esparcimiento

Este coe�ciente es muy bajo para materiales de alta transparencia, mientras que paramateriales de gran opacidad es tan grande que la intensidad �nal es prácticamentecero, medida en distancias muy cortas [18].

Difusión

Para poder aprovechar de manera e�ciente cada fotocelda seria ideal absorbertoda la luz que recibe pero esto no es posible por la difusión, provocando perdidas ene�ciencia.Cuando un rayo luminoso incide sobre una super�cie que posee obstáculos materialeso irregularidades cuyo tamaño es mayor a la longitud de onda que lo atraviesa, ya noexiste un solo rayo re�ejado o refractado, sino que la energía luminosa se distribuye entodas las direcciones desde el punto de incidencia. Este efecto, denominado difusión,se produce por múltiples re�exiones y refracciones de la luz en numerosas super�cies,orientadas aleatóriamente, cuando la luz atraviesa medios no homogéneos. La mayorparte de la luz que entra en un medio difusor puede ser dispersada hacia fuera delmismo sin gran pérdida por absorción. La difusión, debida a partículas tan pequeñascomo moléculas, es mayor para las longitudes de onda corta de luz, por eso el cielose percibe dentro de las tonalidades del azul. La luz que retorna al medio del cualemergió el rayo incidente, se dice que está re�ejada difusamente. Aquella que atraviesaun segundo medio está transmitida difusamente [18]. Como se muestra en la �gura 4.4


24 Capítulo 4

Figura 4.4: Disfusión

4.2.2. Fotón

Con esta partícula se realiza el efecto fotoeléctrico y sin el descubrimiento delfotón no existirí posiblemente la fotocelda por ello es importante conocer su origen.En 1905, Albert Einstien, proporcionó una teoría cuántica más detallada sobre a luz.A partir de resultados experimentales y representaciones teóricas obtuvo la conclu-sión del comportamiento de la propagación de la luz es determinada por partículas,cuyas energías se pueden determinar según con las energías de los cuantos de Plank.Esto fue lo que llevo al nombre de estas partículas como fotones [19]. El fotón es lapartícula portadora de todas las formas de radiación electromagnética, incluyendo alos rayos gamma, los rayos X, la luz ultravioleta, la luz visible, la luz infrarroja, lasmicroondas, y las ondas de radio. El fotón que tiene masa cero y viaja en el vacío conuna velocidad constante C (300 000 Km/seg). En física teórica, un fotón puede con-siderarse como un mediador para cualquier tipo de interacción electromagnética [19].Los fotones se aplican a muchas áreas, como la fotoquímica, el microscopio fotónico yla medición de distancias moleculares. Incluso, se les ha estudiado como componentesde computadoras cuánticas y en aplicaciones complejas de comunicación óptica, comopor ejemplo, en criptografía cuántica.

4.2.3. El efecto fotoeléctrico

Mediante este efecto y sus principios es posible trabajar con la fotocelda y utilizarlade manera adecuadamente para las aplicaciones como extractores de humo, cocinas,radios de comunicación, para cargar baterías, etc. El efecto fotoeléctrico se basa conalgunos materiales que posen la propiedad de absorber fotones y emitir electrones,convirtiendo la luz en electricidad. Cuando lo electrones son capturados, se produceuna corriente eléctrica que se puede utilizar como eléctricidad [20]. Si la luz se trabajacomo fotón entonces se tiene que explicar un poco de como esta constituida la materiala cual esta formada por átomos que poseen;


Fotoceldas 25

Electrones: tienen carga eléctrica negativa.

Núcleo: contiene subpartículas tales como el protón (con carga positiva) y losneutrones sin carga.

La carga negativa de los electrones giran alrededor del núcleo en diferentes bandasde energía y compensan la carga positiva de éste, con los cual se forma un conjuntoestable y eléctricamente neutro. Los electrones de la última capa se llaman electronesde valencia, y se interrelacionan con otros similares y esto genera una red cristali-na [20]. Mediante los electrones, protones y neutrones se pueden crear tres tipos decuerpos eléctricos llamados conductores, semiconductores y aislantes.

Los Conductores: son un material que al paso de electricidad presenta unaresistencia muy baja y sus electrones de valencia están un poco ligados al núcleoy pueden moverse con facilidad dentro de la red cristalina con un pequeño agenteexterno.

Los Semiconductores: son sustancias que se comportan como conductor o co-mo aislante dependiendo del campo électrico en el que se encuentre, capaz deconducir la electricidad mejor que un aislante pero no mejor que un metal ysus electrones de valencia están más ligados al núcleo pero basta una pequeñacantidad de energía para que se comporten como conductores.

Los Aislantes: son materiales que impiden la transmisión energía, en este casoenergía eléctrica, tienen una con�guración muy estable, con los electrones devalencia muy ligados al núcleo; la energía necesaria para separarlos de éste esmuy grande.

Los materiales que emplean las fotoceldas para su funcionamiento de transformarla energía solar en energía eléctrica son las materiales semiconductores.

4.3. Materiales semiconductores

La fotocelda esta formada por materiales que permiten circular cargas eléctricascon ciertas condiciones de temperatura permitiendo la creación de una corriente eléc-trica esto ocurre cuando algún tipo de luz choca con una fotocelda permitiendo elpaso de los electrones del lado "p.al lado "n.a través del un circuito eléctrico. Estosmateriales se comportan como aislantes a bajas temperaturas pero a temperaturasmás altas se comportan como conductores, este fenómeno se presenta por que loselectrones de valencia están ligeramente ligados al núcleo pero no lo su�ciente, puesal adicionar energía, elevan su la temperatura son capaces de abandonar el átomo.En cuanto un electrón abandona su átomo, en su lugar deja un hueco que puede serocupado por otro electrón que estaba circulando por la red [20]. La energía que ligalos electrones de valencia en su núcleo es similar a la energía de los fotones. Cuando


26 Capítulo 4

la luz solar incide sobre el material semiconductor se rompen los enlaces entre nú-cleo y electrones de valencia, que quedan libres para circular por el semiconductor.Los electrones libres y los huecos creados por al radiación tienden a recombinarse yesto provoca la perdida de actividad. Para que esto ocurra, y poder aprovechar estalibertad de los electrones, hay que crear en el interior del semiconductor un campoeléctrico. Los materiales de construcción más utilizados son: silicio (Si) y germanio(Ge), los cuales poseen 4 electrones de valencia en su último nivel. Pertenecen al grupoIV de la tabla periódica, forman también estructura cristalina. Para añadir energíaal material semiconductor, además de calor, también se puede utilizar luz. [20]

Para poder construir un campo eléctrico en este tipo de semiconductor se unendos regiones de silicio tratadas químicamente (unión P-N).

Unión P-N

Si se divide un monocristal de silicio puro en dos zonas cuya frontera queda de�nidapor un plano, una zona se dopa con impurezas de tipo P y la otra de tipo N. La zonaP tiene un exceso de huecos, y se obtiene introduciendo átomos del grupo III en la redcristalina (por ejemplo, boro). La zona N dispone de electrones en exceso, procedentesde átomos del grupo V (fósforo). En ambos casos se tienen también portadores designo contrario (portadores minoritarios), aunque en una concentración varios órdenesde magnitud inferior que la de los portadores mayoritarios.

Dado que en cada zona la carga total es neutra, por cada electrón hay un ionpositivo, y por cada hueco un ion negativo. No existen distribuciones de carga neta nicampos eléctricos internos. Al crear dos zonas de diferente concentración de portado-res, entra en juego el mecanismo de la difusión que tiende a llevar partículas de dondehay más a donde hay menos.El efecto es que los electrones y los huecos cercanos ala unión de las dos zonas la cruzan y se instalan en la zona contraria, es decir, queelectrones de la zona N pasan a la zona P y huecos de la zona P pasan a la zona N.Este movimiento de portadores de carga tiene como efecto que a ambos lados de launión se va creando una zona de carga, que es positiva en la zona N y negativa en lazona P. La distribución de cargas formada en la región de la unión provoca un campoeléctrico desde la zona N a la zona P, como se muestra en la siguiente �gura 4.5.

Figura 4.5: Zona P-N

El campo eléctrico se opone al movimiento de portadores según la difusión, y vacreciendo conforme pasan más cargas a la zona opuesta, hasta que la fuerza de ladifusión y la del campo eléctrico se equilibran y cesa el traslado de portadores. Enese momento ya está formado el diodo de unión P-N, y como resultado del proceso


Fotoceldas 27

se ha obtenido una zona semiconductora tipo P con una resistenciaRP , una zonasemiconductora tipo N con una resistencia RN , y una zona de agotamiento que no esconductora puesto que no posee portadores de carga libres. En ella actúa un campoeléctrico, y existe una barrera de potencial. Este proceso sucede instantáneamenteen el momento en el que se generan las zonas N y P por agitación térmica, es decirque no necesita ningún aporte de energía externa [21]. Si las regiones P y N soncreadas del mismo material entonces es llamado homounión, en el caso de que seancreados de diferentes materiales se llama heterunión. La característica más distintivaen una unión P-N para la transformación fotovoltaica es la existencia de un campoeléctrico, que es el responsable de separar las cargas libres creadas por la absorciónde los fotones provenientes de la radiación incidente [22].

El voltaje de salida de una fotocelda es de corriente continua, por lo tanto tiene unaparte positiva y otra negativa. Las celdas creadas con genera un voltaje aproximado de0.5V . La potencia eléctrica proporcionada por la fotocelda está dada por el productode los valores instantáneos del voltaje y corriente. P = I ∗ V Este valor es afectadopor la naturaleza del semiconductor, por el nivel de de irradiación luminosa y por laforma de fabricación. La separación de huecos y electrones debido al campo eléctricode la unión P-N provoca que los huecos se muevan a la región P y lo electrones a laregión N. Con la condición de que el voltaje sea igual a cero, es decir, corto circuito lacorriente que �uye por el circuito exterior es la corriente generada por la luz IL, conla condición de circuito abierto, aparecerá un voltaje en los extremos de la unión [22].

Estos mecanismos que se mencionan como la utlización de la potencia eléctricaa través de una carga exterior, la aparación de voltaje entre las terminales de lafotoceldas, la separación de los pares eléctron-hueco por el campo de la unión P-Ngenerando una corriente IL y Creación en el semiconductor de pares eléctro-huecogenerados por la absorción de la radioción solar nos permiten operar de manerae�ciente las fotoceldas, de igual manera para evitar alguún accidente o simplementeaumentar si tiempo de vida.

Existen parámetros importantes para caracterizar una fotocelda y poder emplearlade manera correcta, por ello se mencionan acontinuación :

Corriente de corto circuito.

Voltaje a circuito abierto.

Factor de llenado.

E�ciencia.

La corriente en corto circuito (Isc) es la corriente que atraviesa la fotocelda cuandoel voltaje en sus terminales es nulo, esto sucede cuando la fotocelda está cortocircui-tada. El valor de la corriente depende de la generación y recolección de los portadorescreados por la luz. Esta es proporcional a la intensidad de luz incidente sobre la fo-tocelda. El voltaje en circuito abierto (Voc) es el máximo voltaje que aparece entrelas terminales de la fotocelda y ocurre para valores de corriente nula. El voltaje de


28 Capítulo 4

circuito abierto es consecuencia de la polarización positiva o directa de la unión P-Ncuando la luz incide sobre la fotocelda. La corriente de corto circuito y el voltaje decircuito abierto son los máximos valores de voltaje y corriente que se pueden extraerde la fotocelda, sin embargo, en este punto la potencia es cero. Para ello es necesarioencontrar un punto en la curva de voltaje-corriente en donde el valor del productodel voltaje por corriente tenga valor una máximo. El factor de llenado (FF ) se de�necomo la razón entre la potencia máxima obtenida y el producto de corriente de cortocircuito por el voltaje de circuito abierto, como se muestra en la equación 4.2. Lae�ciencia de conversión se de�ne como la razón de la potencia eléctrica máxima quesuministra la celda entre la potencia de la radiación solar que incide sobre esta [22].

η = (Isc ∗ Voc

P) ∗ FF (4.2)

Figura 4.6: Panel fotovoltaico

donde P la potencia de radiación solar incidente. La e�ciencia depende de muchosfactores como; de un país del trópico ó un nórdico, la temperatura a la cual estásometida la fotocelda, intensidad de la radiación, los mecanismos de recombinación yla suma de los factores de los cuales dependen Isc, Voc, FF . De igual manera la posicióndel Sol, ya que varia en todo el año (más alto en verano y abajo en el invierno). Laregla para esto es colocarlas siempre perpendiculares hacia al sur y con un ángulo detu latitud de +15◦ en invierno y tu latitud de −15◦ en verano. Un panel fotovoltaicose crea por medio de dos o mas fotoceldas conectadas en serie en la imagen 4.6 semuestra un panel fotovoltaico [22].


Fotoceldas 29

4.3.1. Tipo de fotoceldas

Existen diferentes tipos de aspectos que afectan a los materiales semiconductores,como la cristalinidad que indica la orientación de los átomos en la estructura cristalina,el coe�ciente de abosorción que es el cociente entre la energía absorbida y la energíaincidente por una super�cie o sustancia y el costo, que es complejidad de construcción(Varia dependiendo los materiales utilizados en las capas del semiconductor).

Para fabricar las capas de las fotoceldas se utilizan diferentes materiales semicon-ductores como:

Monocristalinos.

• Bajo la condición de luz opaca, las células solares de silicio monocristalinogenera un 15 % de e�ciencia pueden, extremadamente, transmitir electri-cidad.

• Se adaptan perfectamente a la salida y el funcionamiento de los compo-nentes.

• Aumentan, enormemente, la energía generada si están equipados con unapelícula antire�ejante y un vidrio muy transparente [23].

Policristalinos.

• Los paneles policristalinos se convierten en una máxima e�ciencia de alre-dedor del 12 %.

• Los paneles solares policristalinos tienden a presentar una mayor toleranciaal calor, y por lo tanto, realizan mejor su funcionamiento que el monocris-talino a altas temperaturas.

• El proceso de fabricación es mas simple y su costo es menor; son visualmen-te muy reconocibles por presentar su super�cie un aspecto granulado [23].

Amorfo.

• Su e�ciencia aproximadamente es 6 % en sombra.

• Necesita menos silicio para su fabricación.

• La sustración puede ser hecha con materiales como el vidrio, acero inoxi-dable y plástico.

• Tienden a ser hacer mucho mas baratas que las monocristalinas y policris-talinas en un futuro cercano [23].

4.3.2. Paneles fotovoltaicos

Un arreglo de celdas solares individuales conectadas eléctricamente entre sí sonllamadas módulo fotovoltaico y de esta forma se logra poder sumar la potencia de


30 Capítulo 4

salida de cada una. Un conjunto de módulos conectados entre si conforman un panel.El conjunto de varios paneles construyen un sistema fotovoltaico.

Muchos aspectos pueden reducir el funcionamiento de los sistemas fotovoltaicos,como la potencia o tiempo de vida. Por lo regular las celdas solares están conectadasen serie para aumentar su nivel de voltaje. De manera individual una celda de siliciotiene un voltaje de aproximadamente 0.6V a 25◦C. Mientras el voltaje del modulofotovoltaico está determinado por el número de celdas solares conectadas en serie,la corriente que circula a través del módulo, depende principalmente del área de lasceldas solares y de su e�ciencia de conversión. Las celdas creadas con semiconductorde silicio monocristalino son a menudo de 100cm2, esto genera una corriente total de2-3 amperes. Las celdas creadas con semiconductor de silicio policristalino que tieneceldas solares individuales de mayor área pero más baja densidad de corriente puedenllegar a tener corriente en corto circuito de hasta 4 amperes [24]. En la �gura 4.7 semuestra en esquema de una panel solar creado por 27 fotoceldas conectadas en serie,produciendo un voltaje total de 18V a 3.6A.

Figura 4.7: Circuito de panel solar

En la �gura 4.8 se muestra un esquema de un panel solar formado por dos pa-neles solares conectados en paralelo, cada panel solar esta formado por 27 fotoceldasconectadas en serie, produciendo un voltaje total de 18V a 7.2A, en la �gura ?? semuestra una ilustración de lo antes mencionada.

Se trabaja con las fotoceledas conectadas en serie porque el voltaje que producenes muy poco, entonces conectando las fotoceldas en serie el voltaje se suma pero lacorriente es la misma. La con�guración en paralelo sirve para conectar dos panelesde fotoceldas, porque se puede obtener una corriente mayor, comparada con una solafotocelda.


Fotoceldas 31

Figura 4.8: Circuito de dos paneles solar conectados en paralelo

Figura 4.9: Ilustración de dos paneles solar conectados en paralelo


32 Capítulo 4


Capítulo 5

Supercapacitores

5.1. Introducción

En este capitulo se explicará el funcionamiento de un capacitor común y un super-capacitor, los principios físicos, las aplicaciones que puede tener y sus comparacionescon las pilas eletroquímicas, de igual manera la ventaja de ocupar un supercapacitora un capacitor común para este proyecto.

5.2. Capacitor

Los capacitores convencionales están formados por dos electrodos conductoresseparados por un material dieléctrico aislante. En el momento que se le aplica unvoltaje, las caras opuestas se cargan en cada super�cie del electrodo. Las cargas semantienen separadas por un dieléctrico, esto produce un campo eléctrico que permiteal capacitor almacenar energía, como se muestra en la �gura 5.1.

La capacitancia (C) esta de�nida por la proporción de almacenamiento de cargaQ la cual se aplica a un voltaje V . Su unidad de medida son los Faradios F y estadada por:

C =Q

V(5.1)

De forma convencional la capacitancia es directamente proporcional al área A decada electrodo e inversamente proporcional de la distancia D entre electrodos:

C = ξ0ξrA

D(5.2)

donde ξ0 es la constante dieléctrica de espacio libre o permitividad y la ξr es laconstante dieléctrica del material aislante entre cada electrodo [25].

Los capacitores mas convencionales, como los de cerámica, poliestireno , poliéstermetalizado, electrolítico como los que se muestran en la �gura 5.2 tienen, relativamen-te, densidades altas de energía, pero en comparación con las pilas electroquímicas,

33

34 Capítulo 5

Figura 5.1: Esquema de un capacitor

tiene una densidad baja de energía. Una batería puede almacenar más energía queuna capacitor pero no puede entregar la energía tan rápido, mientras que un capacitoralmacena menos energía pero su tiempo de descarga es muy poco, lo que genera unadensidad de potencia muy alta.

Figura 5.2: Tipos de capacitores convencionales

Los dos atributos más representativos de un capacitor son la densidad de potenciay densidad de energía. La densidad de energía se puede calcular como una cantidad porunidad de masa o por unidad de volumen. La energía almacenada E en un capacitores directamente proporcional a su capacitancia y esta dada por:

E =1

2CV 2 (5.3)

La potencia (P) es la energía gastada por unidad de tiempo en un capacitor.Para poder determinar la potencia es necesario considerar un circuito en serie con


Supercapacitores 35

una carga externa (una resistencia R), como se muestra en la �gura 5.1. Los com-ponentes internos del capacitor pueden ser contribuidos como resistencia que se mi-de en conjunto por una cantidad conocida como la resistencia equivalente en serieESR(equivalentseriesresistance por su siglas en inglés). El voltaje durante la des-carga es determinado por estas resistencias, cuando la medición es marcada por laimpedancia (ESR) la máxima potencia Pmax por el capacitor esta dada por:

Pmax =V 2

4ESR(5.4)

Los capacitores convencionales como los antes mencionados tienen densidades re-lativamente altas de energía pero muy bajas en comparación con las pilas eletroquí-micas [25].

5.3. Supercapacitor

Los capacitores de doble-capa eléctricos ó supercapacitores funcionan básicamenteigual que los capacitores comunes en su mayor parte, esto se logra con el uso demateriales con contengan electrodos, con una área de super�cie mucho más grande queel volumen del capacitor convencional, de igual manera con una mayor separación deelectrodos y con un material aislante. Tienen una alta densidad de energía típicamentemil veces mayor que un capacitor común [26].

La diferencia es su dieléctrico que produce una alta capacitancia. Sin embargo ellímite de voltaje es de 2.5 a 2.7 volts. Los supercapacitores consisten en áreas confor-madas por electrodos positivos y negativos, un separador, los cuales están sumergidosen un líquido electrólitico que está usualmente compuesto de acetonitrilo y sales coniones. Lo materiales que dan esa única habilidad a los supercapacitores son aeroge-les de carbono, carbono activado, nanotubos de carbono, polimeros conductores consuper�cie extremadamente alta [27].

Los supercapacitores incorporan electrodos con mucha más super�cie de área (a)y dieléctricos muchos mas delgados que disminuyen la distancia (D) entre los electro-dos. También son capaces de alcanzar densidades de potencias comparables, además,tienen varias ventajas sobre las baterías electroquímicas y pilas de combustible, estoincluye una mayor densidad de energía, tiempos de descarga más cortos y muchomayor vida útil. En la �gura 5.3 se muestra una diagrama esquemático de un super-capacitor.

Los supercapacitores tiene una constante de tiempo entre 1 ó 2 segundos por latanto pueden cargase aproximadamente un 63 % de su capacidad y esto hace que sepueda cargar totalmente entre 5 y 10 segundos. Su tiempo de descarga es similar. Enla �gura se muestra un supercapacitor de la marca Maxwell 5.4

En comparación con las baterías, los supercapacitores pierden voltaje rápido mien-tras están en uso, en cambio las baterías pueden mantener el voltaje por un largoperiodo de tiempo, sin embargo los supercapacitores se pueden descargar completa-mente sin daño alguno. Tienen una tolerancia de temperatura mucho mayor que las


36 Capítulo 5

Figura 5.3: Esquema de un supercapacitor

Figura 5.4: Supercapacitor Maxwell

baterías ya que soportan desde −40◦C hasta +65◦C [27].Cuando se aplica un voltaje, se acumulan las cargas en la super�cie de los electro-dos mediante la forma natural de atracción de las diferentes cargas, sin embargo,los electrodos están diseñados para evitar la recombinación de los iones, entoncesuna doble-capa de carga se produce en cada electrodo. Estas dos capas, junto con


Supercapacitores 37

un aumento en la super�cie y una disminución en la distancia entre los electrodos,permiten que los supercapacitores de doble-capa eletroquímicos puedan lograr mayordensidad de energía que los capacitores comunes. En estos supercapacitores no existetransferencia de carga entre electrolito y un electrodo y no hay procesos químicos,por esta razón su tiempo de vida cíclica es muy alta. Estas características se puedenmodi�car, si se cambia la forma química del electrolito. Existen dos tipos de electro-litos para estos capacitores electroquímicos de doble-capa (EDLC) por sus siglas eninglés, que son los electrolitos acuosos, estos contienen menor ESR y menor tamañode poro en comparación con los electrolitos orgánicos, pero tienen bajos voltajes enruptura, por lo tanto al momento de decidir entre un eléctrolito acuoso u orgánico sedebe decidir por las compensaciones de capacitancia, ESR's y de voltaje [27]. En la�gura 5.5 se muestra una comparación grá�ca de un supercapacitor y los capacitoresconvencionales, donde se puede los componentes que los forman como, la distancia(D), el área (a) y los componentes químicos.

Figura 5.5: Esquema de construcción de tres capacitores

Los supercapacitores presentan las ventajas de tener:

• Muy altas tazas de carga y descarga.

• Tiempo de vida alto.

• Baja toxicidad de sus materiales.

• Muy buena reversibilidad.

• No tiene limitación de ciclos de carga y descarga.

Los supercapacitores presentan las desventajas de tener:

• El voltaje varia mucho con la energía almacenada y por que se requierealto control electrónico y equipos de conmutación para recuperar la energíaalmacenada.

• La cantidad de energía almacenada por unidad de peso es considerable-mente menor que la de una batería electroquímica. (3-5 Wh / kg para unsupercapacitor en comparación con 30-40 Wh / kg para una batería).

• Tiene la más alta absorción dieléctrica de todos los tipos de capacitores,es decir, despues de la descarga da lugar a una carga residual, causa delretraso en la despolarización.

5.4. Aplicaciones de los supercapacitores

A continuación se muestran algunas aplicaciones para los supercapacitores.Los supercapacitores se pueden emplear en los vehículos eléctricos, pues las baterías


38 Capítulo 5

proporcionan la mayor parte de la energía que necesita el vehículo en condiciones decirculación normales, mientras que los supercapacitores se pueden encargar de sumi-nistrar las puntas de potencia necesarias en pendientes o acelerones; de absorber lospicos de energía cinética en las frenadas ó de alimentar el motor en el arranque delvehículo. De ese modo las baterías podrían dimensionarse para potencias menores yoperarían en ciclos de carga y descarga menos profundos, lo que podría ocasionarmayor tiempo de vida.De igual manera se pueden utilizar como apoyo a la red eléctrica, para igualar loscambios de corta duración, como los huevos de voltaje asociados a la generación deorigen eólico. La forma habitual de compensar esos cambios o �uctuaciones es ab-sorbiendo o entregando una gran potencia a la red durante periodos de tiempo muyreducidos, aproximadamente de 2 a 3 segundos. Esto implica que la energía totalimplicada en cada acontecimiento no sea muy elevada, aunque se trabajen potenciasen el orden de mega volts.Los brillantes �ash de las cámaras usados para tomar fotografías con baja luz vienende una lámpara de xenón. Un pulso de alto voltaje enciende la lámpara por unaspocas milésimas de segundo, el tiempo su�ciente para iluminar una recamara o elsitio donde se pretenda tomar la fotografía. Para obtener un alto voltaje a partir dela batería de la cámara, que produce solo pocos volts, un circuito suministra cargaseléctricas en el capacitor. El voltaje se acumula en el capacitor hasta que se tienesu�ciente luz como para encender a lámpara de xenón. Cuando la cámara realiza el�ash, envía la electricidad del capacitor, este procedimiento descarga el capacitor ylo recarga en un instante de tiempo muy corta para realizar otra fotografía.Los brillantes �ash de las cámaras usados para tomar fotografías con baja luz vienende una lámpara de xenón. Un pulso de alto voltaje enciende la lámpara por unaspocas milésimas de segundo, el tiempo su�ciente para iluminar un cuarto. Para ob-tener un alto voltaje a partir de la batería de la cámara, que produce sólo pocosvoltios, un circuito "bombeaçargas eléctricas en el capacitor. El voltaje se acumulaen el capacitor hasta que tiene su�ciente luz como para la lámpara de xenón. Cuandola cámara hace el �ash, envía la electricidad del capacitor a la lámpara. Esto vacíael capacitor, que la cámara recarga para otra imagen. Por ello cada pixel contiene unelemento sensible a la luz, el capacitor almacena energía eléctrica que es proporcionala la cantidad de luz que incide sobre la super�cie del pixel, que luego se trans�ere aun circuito para digitalizar la energía eléctrica almacenada.


Capítulo 6

Fuentes de alimentación

Una fuente de alientación es un dispositivo eléctronico capas generar una corrien-te alterna o una corriente directa para suministrar energía eléctrica a dispositivoseléctricos para su funcionamiento. El objetivo de cualquier fuente de alimentación esproporcionar un voltaje entre sus terminales de salida y mantener esté voltaje cuandoel circuito ó la carga lo requiera haciendo �uir una corriente.

6.1. Fuente de alimentación de corriente alterna

Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica que cambia muy rápido lapolaridad, esto quiere decir que su voltaje cambia de un voltaje positivo a un negativoy así sucesivamente, creando una onda senoidal, cuadrada o diente de sierra con ciertoperiodo, esto es el tiempo en segundos durante la cual se repite el valor de la corriente,de igual forma, el periodo es lo inverso de la frecuencia y esta dada por Hertz (Hz) yno es mas que la cantidad de ciclos por segundos que alcanza la corriente alterna. Lacorriente alterna puede �uir a través de diferentes tipos de dispositivos eléctronicos,como capacitores, resistencias, bobinas sin sufrir alguna deformación. En las fuentes dealimentación de corriente directa, la polaridad del voltaje de salida nunca cambia. Unaterminal es siempre negativa y la otra es siempre positiva. Por lo tanto, la corrientedel circuito siempre tiene la misma dirección; sale de la terminal negativa de la fuentey regresa al polo positivo de la misma, después de haber pasado por la carga. Porotra parte, las fuentes de corriente alterna cambian de polaridad constantemente. Enun determinado momento, una terminal es negativa y la otra positiva. Un instantemás tarde, la terminal negativa se vuelve positiva y la positiva se vuelve negativa.Estas inversiones de polaridad son continuas y cada vez que suceden, la corriente delcircuito cambia de dirección, ya que debe �uir siempre de la terminal negativa haciala positiva.

Las fuentes de alimentación de corriente alterna son llamadas alternadores.A continuación se muestran los parámetros para convertir la corriente alterna en

corriente directa. Pues para este proyecto se necesita la corriente directa para podersuministrar la energía eléctrica con corriente y potencia adecuada al VANT mediante

39

40 Capítulo 6

la batería LiPo y tener el conocimiento para el acoplamiento de los supercapacitoresa la batería LiPo y fotoceldas, es por eso que se explican a cotinuación las etapas quese necesitan para poder transformar la corriente alterna en corriente directa.

6.2. Transformación

Esta etapa consta básicamente de un transformador que está formado por unbobinado primario, y uno o varios bobinados secundarios, que tiene como funciónprincipal, convertir la energía eléctrica alterna, en energía alterna de otro nivel devoltaje, por medio de la acción de un campo magnético. En la �gura se muestra untransformador convencional 6.1.

Además provee un aislante galvánico entre la entrada y la salida.

Figura 6.1: Transformador

6.3. Recti�cación

Esta etapa queda constituida por diodos recti�cadores cuya función es recti�car laseñal proveniente del bobinado secundario del transformador. Existen 2 tipos de con-�guraciones que son recti�cación de media onda y de onda completa, en la �gura 6.2se muestra un puente de diodos que genera una onda completa recti�cada.


Fuentes de alimentación 41

Figura 6.2: Puente recti�cador de media onda

El recti�cador de media onda es un circuito que sirve para eliminar la mitad dela señal que recibe en la entrada (función de como esta polarizado el diodo) si lapolarización es directa, se elimina la parte negativa de la señal, y si la polarización esinversa, eliminará la parte positiva.

El recti�cador de onda completa es el tipo más empleado en las fuentes de ali-mentación de los equipos, debido a que con él se obtiene una corriente continua muyparecida a la que proporcionan las baterías. El recti�cador no modi�ca la amplitudde la señal que recibe a su entrada, solamente elimina los ciclos negativos. Esto secumple para todas las señales que pongamos en su entrada, independientemente dela frecuencia que tenga [28].

6.4. Filtrado

Los �ltros son circuitos realizados con componentes pasivos para trabajar con lafrecuencia de la señal. Se pueden distinguir varios tipos de �ltros.

Filtros pasa bajo. Son los �ltros que únicamente dejan pasar aquellas frecuenciasque están por debajo de una determinada frecuencia. Se construyen de unaresistencia y un capacitor en serie.

Filtros pasa altas. Es un circuito formado por resistencias y capacitores enserie, destinado a dejar pasar señales cuyas frecuencias sean mayores que un


42 Capítulo 6

valor mínimo, denominado frecuencia de corte del �ltro. Se componen de unacapacitor y una resistencia en serie, conectando la salida del circuito en losextremos de de la resistencia.

Filtros pasa banda. Es un circuito formado por resistencias, capacitores y bo-binas, diseñados para dejar pasar a su salida un determinado grupo de señalescuyas frecuencias se encuentren dentro de la banda de paso del �ltro, con la �na-lidad de eliminar o atenuar el resto de frecuencias. Se compone de una bobina,capacitor y una resistencia conectados en serie.

Esta etapa queda constituida por uno o varios capacitores que se utilizan paraeliminar la componente de tensión alterna que proviene de la etapa de recti�cación.Los capacitores se cargan al valor máximo de voltaje entregado por el recti�cador yse descargan lentamente cuando la señal pulsante desaparece. Esto permite lograr unnivel de voltaje continuo [28]. En la �gura 6.3 muestra un ejemplo de �ltrado

Figura 6.3: Filtrado

6.5. Regulación

Esta etapa consiste del uso de uno o varios circuitos integrados que tienen lafunción de mantener constante las características del sistema y tienen la capacidadde mantener el estado de la salida independientemente de la entrada. Esta etapa sepuede dividir en: reguladores lineales y reguladores de conmutación.

Reguladores lineales: son dispositivos electrónicos que permiten controlar latensión de salida mediante el ajuste continuo de la caída de tensión en untransistor de potencia, el cual esta conectado en serie entre la entrada y lasalida. Es decir, operan con una corriente continua, donde el nivel de tensión ala entrada siempre debe de ser superior al de salida.

Reguladores de conmutación: contienen transistor que trabaja como una llave(al corte y saturación) que periódicamente la aplica a la carga toda la tensión no



regulada a través de un inductor por cortos intervalos de tiempo. Los reguladoresconmutados operan a frecuencias iguales o mayores a los 20 KHz y básicamenteutilizan la energía, en forma de un campo magnético almacenada en el inductor,durante una porción de ciclo de operación, para suministrar potencia a la cargadurante el segmento remanente del ciclo.

6.6. Baterías eléctricas

Una pila es un dispositivo en el que la reacción química genera energía eléctrica yla batería es un dispositivo que genera energía eléctrica constituida por varias pilas.El funcionamiento de una batería está basado esencialmente en algún tipo de proce-so reversible, es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni sepierdan, sino que se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al primerestado en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, el cierre del circuitoexterno durante el proceso de descarga y la aplicación de una corriente, igualmenteexterna, durante la carga.

El fundamento de las pilas y batería es la transformación de la energía químicaen energía eléctrica, mediante reacciones de oxidación-reducción producidas en loselectrodos, que generan una corriente de electrones [29].

Según el concepto actual las reacciones de óxido-reducción, también llamadas reac-ciones redox, son aquellas en las que cambia el estado o grado de oxidación de lasespecies reaccionantes; se produce un intercambio de electrones entre los reactivos.Para que se produzca esta reacción tiene que haber una especie de electrones (reduc-tor) y otra que los acepte (oxidante); el reductor se transforma en su forma oxidaday el oxidante en su forma reducida [30].

Los parámetros que pueden ser medidos en una batería eléctrica, son:Voltaje. El voltaje es la magnitud física que impulsa a los electrones a lo largo de un

conductor en un circuito cerrado. En la presencia de un campo eléctrico y siguiendo lodescrito en el campo gravitacional , se de�ne como la diferencia de potencial eléctricoentre dos puntos A y B como:

V = Uq0

(6.1)

donde q0 es la carga de prueba y U la energía potencial. La diferencia de potencial,representa la cantidad de trabajo por unidad de carga hecho por el campo paramover una carga de prueba q0 desde un punto A hasta otro �nal B, sin cambiar suenergía cinética. Una vez más, la diferencia de potencial no debe confundirse con lavariación de la energía potencial [31]. Las dos cantidades están relacionadas mediantela ecuación:

U = V q0 (6.2)

Las unidades de la diferencia de potencial en el SI es el voltio (V )

1V = 1J1segundo (6.3)


44 Capítulo 6

donde J equivale a Joule [31]Corriente. Es el �ujo de electrones, atraídos hacia el electrodo positivo y repelidos

por el electrodo negativo. La corriente se aumenta conforme a una mayor cantidadde electrones �uye por segundo dentro del circuito. De esta forma la corriente esla velocidad con la cual se mueven las cargas. La cantidad de carga que �uye porsegundo por una sección transversal del conductor se llama 1 Coulomb y la corriente1 Ampere[32].

La unidad de carga es el Coulomb (C), y la velocidad a la cual se mueven lascargas es C/seg. En las unidades Sistema Internacional (SI), un coulomb por segundode de�ne como un ampere (Amp ó A). De esta forma, el ampere se de�ne como unacarga de un coulomb que se mueve de un punto a otro en un segundo. El símbolo decorriente es I, y se expresa como:

I =Q

t(A) (6.4)

donde Q es la carga y t es el tiempo [32].Capacidad de carga. Es la cantidad de potencia eléctrica que la batería consigue

suministrar en determinadas condiciones. Ella es el producto de la corriente y eltiempo (ampere − hora Ah). Sin embargo, la capacidad no es un parámetro �jo,depende de lo siguientes factores, entre otros:

Nivel de la corriente de descarga.

Proceso de descarga en función del tiempo (la capacidad es mayor cuando eshecha una pausa durante la descarga que cuando el proceso de descarga estécontinuo).

Edad de la batería (debido a la pérdida del material activo de las placas, lacapacidad Ah disminuye cuando la batería se aproxima al �nal de su vida útil).

La corriente de descarga desempeña un papel especialmente importante. Cuantomayor es la corriente de descarga, menor es la capacidad disponible [33].

E�ciencia. En las baterías electrícas se debe de conocer la e�ciencia que esta puedeproporcionar aun que pueden variar por su tipo, construcción, vejez, temperatura. Lae�ciencia de la batería es una medida de la cantidad de energía eléctrica de un bateríadividida por la cantidad de energía eléctrica transferida a la batería durante la carga.La energía restante que no se extrae como la electricidad se convierte en energíatérmica a través de la energía cinética y las pérdidas de transporte. Con una estrecharelación entre las limitaciones, en especí�co, la potencia, el rendimiento de la bateríadisminuye con el aumento de la carga y la velocidad de descarga [34].

Energía. La energía especí�ca de una batería se determina mediante la integraciónde la diferencia de voltaje entre los electrodos sobre la cantidad de transferencias deelectrones durante la descarga y dividiendo por la masa total de todos los componentesdel módulo de batería. Para aumentar la energía especí�ca, deben proporcionar una



alta capacidad de electrones a tensiones considerables con los más ligeros materialesposibles. Un módulo de batería capaz de suministrar energía a un vehículo eléctricoconsiste de materiales activos electroquímicos, así como conductores y embalaje. Unaenergía aceptable para un módulo de batería de alimentación de un vehículo eléctricodepende de las características del vehículo y de la energía que debe suministrar [34].

Constante de carga y descarga. Una batería eléctrica son recipientes o dispositivosque almacenan carga eléctrica. El nombre carga adquiere su signi�cado general deobjeto que se almacena para ser transportada o para mantenerla en reserva; designalo mismo que cuando nos referimos a la çarga"de un avión o de un depósito; no seespeci�ca la clase de contenido. Lo que ocurre en el caso de las baterías eléctricases que se tiende a atribuir a la palabra carga su signi�cado eléctrico, y se piensa encarga eléctrica. Así que no es extraño que la expresión çargar una batería"se interpretecomo llenarla de carga eléctrica, cuando lo que se debe entender es que la batería sellena de energía eléctrica , que es lo que realmente almacena. La capacidad de unabatería depende de su velocidad de carga y descarga, a una mayor velocidad, menorcapacidad de Ah se tendrán disponibles.

Tiempo de vida. La vida útil de las baterías depende de la delicadeza propia de suscomponentes activos, las condiciones ambientales y del uso que exciten estos cambios.Estos cambios pueden disminuir la capacidad de energía de las células mediante laformación de compuestos estables de forma irreversible dentro de los electrodos ola degradación de la capacidad de potencia de las células mediante el aumento delas pérdidas de transporte. Aunque la mayoría de las baterías se somete a cambiosirreversibles en cada ciclo de carga y descarga, incluso en condiciones ideales, losvalores extremos de temperatura, la tensión y el estrés mecánico pueden acelerar engran medida estos procesos [34].

Efecto memoria. Este fenómeno ocurre cuando las baterías se recargan repetida-mente sin permitir que se descarguen por completo antes de recibir subsecuentes ciclosde recarga. El efecto memoria se mani�esta como una condición en la cual las bateríaspierden su capacidad de aceptar la carga completa, esto produce en disminución deltiempo de uso y por lo tanto, se hace necesario recargarlas con mayor frecuencia [35].

Las baterías recargables más comunes son:

Batería de níquel-cadmio (NiCd).

Batería de níquel e hidruro metálico (NiMH).

Batería de iones litio (LiIon).

Batería de polímero de litio (LiPo).

Batería zebra (NaNiCl).


46 Capítulo 6

6.6.1. Especi�caciones de las baterías LiPo

Voltaje

.A diferencia de las bateías convencionales como las de NiCd ó NiMH que tienen

1.2 V por celda, las baterías LiPo tiene un valor de 3.7V por celda. El bene�cio esque pocas celdas pueden ser usadas para construir un paquete de baterías y poderproporcionar mayor energía en un tamaño pequeño. Aparte de los modelos pequeñoseléctricos de radio control, las baterías LiPo están en paquetes de dos o más celdasconectadas en serie para proporcional un alto voltaje. Para modelos largos de radiocontrol el número de celdas puede ser alto (seis celdas ó más ). A continuación semuestran una lista con los diferentes tipo de baterías para radiocontrol.

Batería de 3.7 V = 1 celda * 3.7 volts = (1S ó celdaenserie).

Batería de 7.4 V = 2 celda * 3.7 volts = (2S).






Batería de 37 V = 10 celda * 3.7 volts = (10S).


Se puede conectar el paquete de celdas en paralelo para aumentar la capacidad. Estoes indicado por el número seguido de la letra ”P”, ejemplo, 3S2P , indicaría tresceldas conectadas en serie tiene el doble de corriente. Estos son los voltajes quese necesitan saber para cada modelo de radio control, la combinación del controleléctrico de velocidad indica que voltaje se requiere para el funcionamiento correctode revoluciones por minuto (RPM). Este número tiene que ser seguido a pie de laletra, ya que un cambio de voltaje equivale a un cambio en las RPM y será necesariocambiar el engranaje del motor. Si un modelo requiere una batería de 11.1V de 3celdas (3S), eso se debe emplear y no cambiar a una batería mayor ya que se dañaráel modelo eléctrico de radicontrol [36].



Corriente

La corriente indica cual es la cantidad de energía que puede contener la batería y esindicado como miliAmperes-hora (mAH). Esto es una forma elegante de cuanta cargapuede proveer en la batería en una hora, a la vez que la batería se está descargando.Por ejemplo una batería LiPo que tiene 1000mAH se descargará completamente enuna hora con una carga de 1000mAH. Si esta misma batería tenia una carga de5000mA, tomaría dos horas para descargarse. Si la carga se incremento alrededor de15 000 mA el tiempo de descarga sería sólo de unos cuatro minutos.El principal parámetro que se debe de tomar en cuenta es el tiempo de vuelo quenecesita, para ello se debe incrementar la corriente en el batería. A diferencia delvoltaje, la corriente puede ser cambiada para dar menos o más tiempo de vuelo.Debido a las restricciones del tamaño y peso de la batería debe permanecer en unrango determinado de corriente, en cambio si se requiere mayor corriente la bateríatendrá mayor tamaño y peso [36].

Proteción de circuitos

Las baterías LiPo tiene una densidad alta de poder, esto las hace buenas por laredución de tamaño y peso en los proyectos, sin embargo, esto no las hace ser seguras yrequieren mucho cuidado. Cargar o usar incorrectamente puede causar una explosióno un incendio. Hay cinco puntos principales que se deben que observar cuando secarga y usa la batería.

No cargar la batería sobre su máximo voltaje de seguridad, depende de la bateríaque se utilice.

No descargar la batería debajo de su mínimo voltaje de seguridad, (3V ).

No consumir más corriente de la que la batería puede suministrar.

No cargar más de lo que puede soportar la batería.

No cargar la batería a temperaturas muy altas o bajas, (0 a 50◦C).

Para mayor seguridad es mejor leer la hoja de especi�caciones de la batería para co-nocer el voltaje, corriente y temperaturas que estas pueden variar celda por celda [37].

Efecto de memoria

Las baterías LiPo no tienen efecto de memoria por su contenido relativamentebajo en metales tóxicos y son bastante fácil de reciclar. Esto es bene�cioso por que elcomportamiento siempre será el mismo, independientemente de su uso [38].

Las baterías LiPo se han vuelto populares en el mundo del radiocontrol, comoen los VANT. Las siguientes caracterísiticas hacen que sean la perfecta opción para


48 Capítulo 6

aviones de radiocontrol y aun más para helicópteros de radicontrol sobre las bateríasconvencionales recargables de NiCad ó NiMH.

Las baterías LiPo son ligeras de peso y se pueden hacer en casi cualquier tamñoy forma.

Las baterías LiPo tiene altas tasas de descarga para alimentar el motor eléctricomás exigente.

Tienen una alta densidad de energía que prácticamente dobla a las de NiMH(níquel-hidruro metálico).

Tienen mucho menos volumen y ofrecen un formato más práctico, en consecuen-cia son m'as manejables.

Alto nivel de voltaje por celda, esto permite mayores voltajes en menor espacio.

Resistencia interna pequeña, esto hace que se pueda aprovechar casi el 100 %de la energía disponible.

Estos bene�cios son importantes en cualquier modelo de radiocontrol aun masen los modelos aéreos de radicontrol, aunque existen algunos inconvenientes conestas baterías LiPo tales como:

Se necesita un cargador especí�co, que cumpla con las características adecuadas.

Queda prohibido cortocircuitarlas, y no se llevan bien con los aumentos detemperatura ni sobrecargas.

Tampoco son amigas de los abusos, como por ejemplo una descarga profunda oun consumo por encima del nivel normal ya que pueden incendiarse o explotar.

[34].

Por lo antes mencionado esta batería es usada en el VANT, ya que ha podidoinnovar el mundo del radio control, pues ofrece lo que la mayoría de los usuarios re-quiere, tiempo de vida largo a bajo costo, fácil modo de empleo, sencillos cuidados.Los bene�cios de utilizar esta nueva forma de tecnología, son, tiempos de funcio-namiento mucho mas largos, pueden generar una potencia como la de un motor decombustión interna. La relación peso-potencia que es conseguida por la batería LiPoes muy aceptable sobre todo para los VANTs, donde se requiere muy poco peso.


Capítulo 7

Implementación del hardware

El propósito de este trabajo es crear un circuito que sea capaz de alimentar los seismotores mediante energía solar y con una batería Lipo, siendo las partes importantescomo las fotoceldas policristalinas y supercapacitores encargados de proporcionaresa energía necesaria. Con el objetivo de poder empotrar ese circuito al hexacopter,trayendo el bene�cio de obtener mayor tiempo de vuelo sin suspender la actividad quese realiza. En este capitulo se describe las partes que conforman el circuito disñadopara la alimentación del vehículo aére no tripulado.

7.1. Descripción general del hexacopter

El hexacopter que se utilizó fue diseñado y manufacturado por la empresa 3DRoboticsconsta de dos placas en forma de hexágono de baquelita, tres patas del mismo materialpara soportar el vehículo mientras esta en reposo como chasis, contiene seis motoressin escobillas en cada extremo de sus brazos de aluminio de 24cm de largo, cadamotor de 850kV , acopañado de seis controladores eléctronicos de velocidad (ESCpor su siglas en ingles ElectronicSpeedController) de 20A, y seis hélices de plásticode 254mm X 119.5 mm, una placa de control, ArduPilot Mega 2.6, que contiene ungiroscopio, un acelerómetro, para medir la inclinación y magnetómetro que sirve co-mo brújula, junto con un barómetro y un dispositivo de sistema de posicionamientoglobal, por sus siglas en ingles GPS (GlobalPositioningSystem) y un sensor principalpara el control automático de posición, llamada unidad de medición inercial(UMI).Cuenta Una bateriía LiPo, cinco supercapacitores y un modulo de fotoceldas. La placadel ArduPilot Mega 2.6 y la batería LiPO se conectaron a una placa de disitribuciónde alimentación, PDB por su siglas en ingles (Powerdistributionboard) ayudando adistribuir el voltaje y corriente a cada ESC y motor sin escobillas para su correctofuncionamiento, con una con�guración tipo X, como se muestra en la �gura 7.1.

49

50 Capítulo 7

Figura 7.1: Con�guración tipo X del hexacopter

7.1.1. ArduPilot Mega 2.6

La placa que se encarga del control del vehículo aéreo no tripulado es ArduPilotMega 2.6, que contiene un giroscopio de 3 ejes, para mantener su equilibrio, un acele-rómetro, para medir la inclinación y magnetómetro que sirve como brújula, junto conun barómetro de alto rendimiento, para conocer el nivel de altura respecto a un puntoy un dispositivo de GPS, una brújula digital HMC5883L-TR, un microchip Atmel'sATMEGA2560 de 16 MHz de velocidad, para el procesamiento de las funcionalida-des ó control de todo el sistema del vehículo, con una arquitectura Harvard con 4a 256 kB de memoria �ash programable, encapsulados de 28 a 100 pines, conjuntode instrucciones extendido (multiplicación y direccionamiento de programas mayores)y amplio conjunto de periféricos. Esta placa esta incorporada a prueba de fallos dehardware utiliza un circuito independiente para transferir el control de sistema deradiocontrol al Ardupilot. Incluye la habilidad de reiniciar el sistema en pleno vuelo,doble procesador diseñado con 32 MIPS de energía a bordo, contiene seis pins co-nectores de GPS, contiene dieciséis entradas analógicas libres (con ADC cada una) ycuarenta entradas y salidas digitales libres para añadir otros sensores, cuatro dedica-dos para puerto serial con telemetría bidireccional, hardware del controlador del servomotor lo que signi�ca menos sobre carga del procesador, la respuesta más rápida y sinvariaciones. Ocho canales de RC pueden ser procesados por el autopilot, LEDs de en-cendido, a prueba de fallos, estatus de autopilot y bloqueo de GPS, software completo


Implementación del hardware 51

de autopilot , incluyendo UMI la cual sirve para determinar los 3 ángulos de rotacióndel hexacopter y la velocidad angular en la que estos águlos rotan (pitch, roll, yaw),las dimensiones de la placa son 4cm X 6.9cm.

7.1.2. Motor sin escobillas

Usualmente los motores sin escobillas son los mas utilizados en los vehículos aéreosno tripulados, por sus muy altas prestaciones respecto a otros motores eléctricos, susprincipales características son:

Menor peso.

Fácil de fabricar.

Mayor e�ciencia.

Menor interferencia electromagnética.

La mayor desventaja es el control que es mas complejo aunque con los avances seha podido eliminar con los controladores electrónicos de velocidad. A continuación semuestran las características del motor sin escobillas 850Kv AC2830-358 utilizado eneste hexacopter:

Tamaño: 28 X 30 mm.

Eje: 3.17 mm.

RPM/v: 850Kv.

Hélice: 10x45.

Batería: 2-4 S LiPo.

Peso: 62 gr

Cables: 35cm/18CAE

Se utilizaron seis motores sin escobillas 850Kv AC2830-358 en cada extremo delhexacopter, como se muestra en la �gura 7.2

7.1.3. Controlador electrónico de velocidad

Esta etapa se encarga de convertir la señal de salida del ArduPilot Mega 2.6 enseñales apropiadas para el manejo de los motores, en este caso se utilizo los controlado-res electrónicos de velocidad para utilizar de forma correcta los motores sin escobillas,ya que toman como entrada una señal de modulación de ancho de pulso(PWM) óuna serie de datos transmitidos por el bus I2C. Los controladores electrónicos develocidad que se utilizaron en este proyecto fueron de la marca 3DRobotics con lassiguientes características:


52 Capítulo 7

Figura 7.2: Con�guración tipo X de los motores

Características de de protección múltiples: de baja tensión, corte de protección/ protección de sobrecalentamiento.

Tres modos de arranque: Normal, suave, súper suave.

Rango del acelerador puede ser programado como suave, lineal y respuesta pre-cisa del acelerador.

Regulador independiente de voltaje IC para el microprocesador abordo.

Velocidad que soporta el motor: 210 000 RPM (2 polos), 70,000 RPM (6 polos),35,000 RPM (12 polos).

Cada controlador electrónico de velocidad esta conectado independientemente acada motor sin escobillas por lo tanto se utilizaron seis, como se muestra en la �gurasiguiente, cada uno con las siguientes especi�caciones:

Corriente continua: 20A

Modo de circuito eliminador de baterías: Lineal

Salida de circuito eliminador de baterías: 5V /2A

Batería: 2-4 LiPo, 5-12 Insalud / NiCd

Peso: 21g

7.1.4. Supercapacitores

Se utilizaron cinco supercapacitores de la marca Maxwell Technologies, cada unocon una capacitancia de 350F y un voltaje de 2.7V , el acoplamiento de estos su-percapacitores se realizo en serie, esto se realiza conectando en una misma rama unconector de polo negativo y otro supercapacitor con conector positivo, así sucesiva-mente hasta el quinto supercapacitor obteniendo una capacidad total entre el primer



borne del primer supercapacitor y el último borne del último para sumar un total de70F a 13.5V , como se muestra en la siguiente �gura 7.3

Figura 7.3: Conexión serie de supercapacitores

Con esta con�guración se puede acoplar de manera más e�ciente los supercapa-citores con la batería LiPo, ya que el suministro de voltaje de la batería LiPo nosupera los 12V esto hace que los supercapacitores no lleguen a su limite de carga yno produzcan una explosión, dejando de funcionar. Se utilizo esta con�guración tiposerie por que necesitaba tener un voltaje de al menos de 12V aunque se sacri�carala capacitancia (capacidad de carga eléctrica), ya que si se conectaba en paralelo losseis supercapacitores la capacidad total seria de 1750F con un voltaje de 2.7 V , yal cargar los supercapacitores con el modulo de las fotoceldas estos explotarían a untiempo aproximado de 10 segundos. La otra con�guración de serie-paralelo no se uti-lizo por que con la cantidad de supercapacitores que se tenia no alcanzaba el voltajerequerido, para ello se necesitaban diez, por el tamño, peso y presupuesto no es muyútil, aunque se podría obtener mayor capacitancia y el voltaje de 12V que se necesita.

Se utiliza los 12V que generan los supercapacitores en tiempo de descarga porque a ese voltaje funcionan correctamente los motores sin escobillas a revolucionessu�cientes que puedan hacer volar el VANT, de igual manera el voltaje con el que sealimenta la batería LiPo es de 11.1V y los supercapacitores alimentan con su energíaeléctrica a la batería LiPo, permitiendo que funcione correctamente alimentando losmotores sin escobillas sin que sufra daños por exceso de voltaje y corriente,

7.1.5. Batería LiPo

La batería LiPo es la encargada de alimentar a los motores sin escobillas mediantelos variadores ó ESC permitiendo el buen funcionamiento. La batería se conecto enparalelo después de los supercapacitores como se muestra en la �gura7.4, las espe-ci�caciones de esta batería son 3S, 5000 mAh con un voltaje nominal 11.1 V y unpeso de 404 gr. Esta batería es la más rentable para este tipo de aeronaves de RCpor su gran densidad de energía, una alta tasa de descarga y por su escasa resistenciainterna, los cual permite aprovechar casi el 100% de la energía,

7.1.6. Modulo de fotoceldas

El modulo de fotoceldas que se creó fue de fotoceldas tipo policristalinas, funcio-nando como fuente de alimentación, cada celda mide 8 cm de ancho x 15 cm de largo,


54 Capítulo 7

Figura 7.4: Baterí LiPo conectada con los supercapacitores

de la marca ML Solar con las siguientes especi�caciones:

Potencia: 1.8 W

Corriente máxima: 3.6 A

Voltaje máximo: 0.5 V

El primer modulo de fotoceldas fue creado por 27 fotoceldas conectadas en serie,alcanzando una capacidad de energía de 18 V a 3.6 A, con un perímetro de 45 cm deancho y 72 cm de alto. El segundo modulo de fotoceldas fue creado por dos módulosconectados en paralelo, un modulo de 27 fotoceldas conectadas en serie y otro modulode 32 fotoceldas, alcanzando una capacidad de 20.81 V a 7.2 A.

El tercer modulo de fotoceldas fue creado por dos módulos conectados en paralelo,un modulo 27 fotoceldas conectadas en serie y otro modulo de 16 fotoceldas conectadasen serie, alcanzando una capacidad de 15.75 V a 7.2 A.

En todos los módulos de fotoceldas se conecto un diodo de protecciíon a su salida,para asegurar el paso de la corriente en una sola dirección y así evitar accidentes,como, el regreso de la corriente al circuito y deteriorar sus componentes, pues cuandono hay energía solar el panel fotovoltaico se convierte en una resistencia ocacionandoque la batería LiPo y los supercapacitores alimente esta resistencia, es por ello que seconecta una diodo para que esto no suceda.

7.2. Construcción del circuito

Se construyo el circuito eléctrico a partir de la necesidad de obtener mayor tiem-po de vuelo, pues no es su�ciente con una batería LiPo, para obtener mayor energíaeléctrica se propuso utilizar un modulo de fotoceldas y una cambinación de superca-pacitores conectados en serie a la batería LiPo.

El primer circuito eléctrico que se diseño para ser conectado al VANT, fue, conectarcomo primer dispositivo el modulo de fotocelda seguido de un diodo conectado a lossupercapacitores posteriormente conectado a un diodo y este conectado a la bateríaLiPo en serie, lo que sirve como �ujo de corriente en una sola dirección, evitando



el daño a la bateriía LiPo y a los supercapacitores ,como se muestra en la �gurasiguiente7.5.

Figura 7.5: Primer diseño del circuito

El segundo circuito eléctrico se diseño posteriormente por que el primer circuitotuvo errores en la con�guraciíon de sus dispositivos, lo que generaba que la energiíaeléctrica se consumiera de forma más rápida, afectando de manera drástica el tiempode vuelo. En el momento de hacer las mediciones de voltaje y corriente se obtuvouna medición del voltaje muy inestable y con una descarga total aproximadamenteen 18 minutos, lo cual no es muy útil, por ello se diseño el segundo circuito dondesimplemente se cambian los dispositivos de sitio, como se muestra en la �gura 7.6

Figura 7.6: Segundo diseño del circuito

En el diseño y construcción del segundo circuito las mediciones fueron mas sa-tisfactorias pues en el instante de hacer las mediciones de voltaje y corriente de labatería LiPo y de los supercapacitores fueron estables y coherentes, de igual manerael tiempo de vuelvo fue mucho mayor, esto es mostrado en las grá�cas.En la construcción del circuito, se realizó en un placa de pruebas para conectar losdiodos con los dispositivos antes mencionados.


56 Capítulo 7


Capítulo 8

Resultados

Posteriormente de haber diseñado y construido el circuito de alimentación y co-nectarlo como se mostró anteriormente al VANT, se procedió a realizar las pruebasde tiempo de vuelo para adquirir los datos necesarios y crear grá�cas para observarel comportamiento y las comparaciones entre los supercapacitores con el módulo defoto celdas, la batería LiPo y estos tres dispositivos conectados mutuamente.De igual manera se realizó estas mismas pruebas a las 2:00 pm a 4:00 pm donde laradiación solar es más intensa.

Al hablar de tiempo de vuelo se habla del tiempo en que se consume la corriente yvoltaje del circuito de alimentación para el VANT. Únicamente con conectar la bateríaLiPo al VANT, su tiempo de vuelo varia de 13 min a 15 min aproximadamente conun voltaje de 11.1V, pues es el indicado de uso en la batería LiPo, esto llevo a diseñarel circuito con el modulo de fotoceldas y supercapacitores para desmostrar si es útiló no el aumento en el tiempo de vuelo. Las siguientes pruebas realizadas se utilizo labatería LiPo con un voltaje aproximado de 12V.A continuación se muestra los resultados obtenidos que muestran el tiempo de cargay descarga de los supercapacitores y la batería LiPo.

La primera medición se realizó con el primer circuito, aunque la medición es muyinestable, se muestra a continuación en la grá�ca el tiempo de descarga de voltaje ycorriente 8.2 y 8.1.

Como se muestra en las grá�cas se puede notar la inestabilidad de la descargaeléctrica, por ello no fue favorable seguir haciendo pruebas con este circuito y sedetermino hacer pruebas cambiando de sitio los dispositivos electrónicos y crear unsegundo circuito.

Con el segundo circuito se realizó la prueba de descarga de energía eléctrica,únicamente conectando la batería LiPo a los seis motores con una velocidad de 170RPM , siendo esta la máxima velocidad en las pruebas 8.3 y 8.4.

Se puede notar claramente en las grá�cas el comportamiento de la energía eléctricade la batería LiPo, pues la caída de la corriente es muy repentina cuando llega a ciertovoltaje. Por consecuencia, aunque el voltaje no haya llegado a su mínimo valor quees 3V, no puede entregar la potencia su�ciente para hacer girar los seis motores al

57

58

0 2 4 6 8 10 12 14 16 185

6

7

8

9

10

11

12

Tiempo(min)

Vol

taje

(V)

Descarga de los 6 capacitores con batería LiPo conectada a 6 motores

Figura 8.1: Grá�ca de descarga de voltaje.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 184

4.05

4.1

4.15

4.2

4.25

4.3

4.35

4.4

4.45

4.5

Tiempo(min)

Am

pere

s(A

)

Descarga de los 6 capacitores con batería LiPo conectada a 6 motores

Figura 8.2: Grá�ca de descarga de corriente.

mismo tiempo, deteniendo individualmente cada motor hasta el frenado de los seismotores.

Las siguientes grá�cas muestran el tiempo de descarga con los supercapacitoresy la batería LiPo con el diodo de protección conectado a los seis motores. Mostran-do el voltaje en la batería LiPo 8.6, 8.5 y los supercapacitores 8.8, 8.7 individualmente.


Resultados 59

Figura 8.3: Grá�ca de descarga de voltaje.

Figura 8.4: Grá�ca de descarga de corriente.

A continuación se muestran las grá�cas de descarga de la energía eléctrica de todoel circuito, pues esta vez se conecto el modulo de fotocelda con la batería LiPo y lossupercapacitores. El modulo de fotocelda consta de 32 fotoceldas conectadas en serie,obteniendo de energía eléctrica cerca de 57.6 W . Las dos primeras grá�cas son deltiempo de descarga de los supercapacitores 8.9 8.10.


60

0 10 20 30 40 50 60 70 809.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

Tiempo(min)

Vol

taje

(V)

Descarga de la batería LiPo con 6 capacitores y diodo conectados a 6 motores

Figura 8.5: Grá�ca de descarga de voltaje de la batería LiPO.

0 10 20 30 40 50 60 70 800.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Tiempo(min)

Cor

rient

e(A

)


Figura 8.6: Grá�ca de descarga de corriente de la batería LiPo.

También se muestran las grá�cas de radiación electromagnética que recibió elpanel solar cuando se realizaron las mediciones de la descarga con los supercapacitores,batería LiPo y la fotocelda. Esto se realizo utilizando un radiometro, registrando cada10 minutos la irradiancia, como se muestra en las siguientes grá�cas 8.11, 8.12.

En la elaboración de grá�cas y los experimentos que se realizaron para determinarel tiempo de descarga de todo el sistema, resultó ser una herramienta muy practica


Resultados 61

0 10 20 30 40 50 60 70 80 908

8.5

9

9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

Tiempo(min)

Vol

taje

(V)


Figura 8.7: Grá�ca de descarga de voltaje de los supercapacitores.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 900.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Tiempo(min)

Cor

rient

e(A

)


Figura 8.8: Grá�ca de descarga de corriente de los supercapacitores.

para conocer el comportamiento del voltaje y corriente de la batería LiPo como tam-bién de los supercapacitores. Con las grá�ca es mas fácil interpretar la informaciónobtenida, como la visualización de los conceptos que de otra forma serían un pocoabstractos. En cada grá�ca se puede observar de una manera detallada los resultados,obteniendo una fácil lectura y entendimiento de cada experimento.


62

0 20 40 60 80 100 1209

9.5

10

10.5

11

11.5

12

12.5

Tiempo(min)

Vol

taje

(V)

Descarga de los 6 capacitores con batería LiPo y fotocelda conectada a 6 motores

Figura 8.9: Grá�ca de descarga de voltaje de los supercapacitores.

0 20 40 60 80 100 1201

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Tiempo(min)

Am

pere

s(A

)

Descarga de los 6 capacitores con batería LiPo y fotocelda conectada a 6 motores

Figura 8.10: Grá�ca de descarga de corriente de los supercapacitores.


Resultados 63

0 20 40 60 80 100 120400

500

600

700

800

900

1000

Tiempo(min)

Rad

iaci

ón e

lect

rom

agne

tica

(w/m

2 )

Irradiancia solar

Figura 8.11: Grá�ca de irradiancia midiendo la energía eléctrica en la batería LiPo.

0 20 40 60 80 100 120550

600

650

700

750

800

850

900

Tiempo(min)

Rad

iaci

ón e

lect

rom

agne

tica

(w/m

2 )

Irradiancia solar

Figura 8.12: Grá�ca de irradiancia midiendo la energía eléctrica en los supercapacitores.


64


Capítulo 9

Conclusiones y trabajo a futuro

9.1. Introducción

En este trabajo se describe el diseño y construcción de un sistema de fotoceldas ysupercapacitores acoplados a una batería de alimentación que permite realizar mayortiempo de vuelo a un VANT. Con esto se cumplió el objetivo general del proyecto.Asimismo, se presentan los resultados de experimentos, como grá�cas de voltaje ycorriente de los dispositivos electronicos (batería LiPo y supercapacitores). En estecapítulo se presentan las conclusiones del sistema desarrollado, igualmente el trabajoa futuro de este sistema.

9.2. Conclusiones del sistema desarrollado

Se pudo contemplar que es muy �able usar la energía solar como fuente de alimen-tación, utilizando el VANT para este objetivo, creando un medio de comunicación conenergía renovable y limpia, obteniendo un buen funcionamiento con energía eléctricacon alternativas que no contaminan.

La combinación de todo el sistema, cuenta con un modulo de fotoceldas comoconvertidor de energía solar a energía eléctrica, seis supercapacitores conectados enserie que sirven como acumuladores de energía eléctrica, una batería de polímero delitio (LiPo) asistiendo principalmente como fuente de alimentación, un micro contro-lador Arduino UNO con el cual se genera el control de los motores sin escobillas.Una de las principales características que se obtuvo de este sistema fue la capaci-dad de almacenamiento de energía eléctrica, la energía generada por las fotoceldaspuede ser almacenada en los supercapacitores utilizándose de forma inmediata parasuministrarla a la batería LiPo generando mas tiempo de vuelo.

Del sistema desarrollado se puede concluir lo siguiente:

Es optimo el modulo de fotoceldas, ya que puede proporcionar la energía necesa-ria durante gran parte del día permitiendo la alimentación a los supercapacitores.

65

66 Capítulo 9

El circuito de supercapacitores proporciona la energía eléctrica hacia la bateríaLiPo permitiendo que su descarga se más lenta y así obtener mayor tiempo derotación de motores.

Se logro un tiempo mucho mayor de rotación en los motores que el que pro-porciona la batería LiPo, obteniendo un tiempo aproximado de 100 minutos sinhélice, pudiendo ser bené�co para realizar misiones que requieran mayor tiempoexperimentando con hélices .

El acoplamiento de las fotoceldas y supercapacitores al sistema ya existente delVANT fue muy satisfactorio pues no se presentan errores o fallas, lo cual es muyoptimo para realizar una comercialización de este nuevo sistema.

Es de relevante importancia seguir estudiando este medio de energía alternativapara dispositivos electrónicos ya que podemos cuidar un poco el medio ambiente,de igual manera es una forma de energía mas económica. Llegar a la acceptaciónde energía alternativa aun es muy difícil pero con proyectos y resultados con�ables,se pueden implementar nuevas tecnologías obteniendo un impacto social hacia estasenergías limpias. Un dispositivo difícil de encontrar en los sistemas de almacenamientode energía, es un sistema como el que aquí se propone, pues generalmente la energíaalmacenada, se acumula a través de las pilas y/ó baterías, generando desechos tóxicos,mientras que los supercapacitores tienen un ciclo de vida mucho mayor. Mediante elsistema descrito aquí se pueden abrir nuevas posibilidades para sistemas electrónicos.

9.3. Recomendaciones para el trabajo a futuro

Existen varias mejoras que se podrían implementar en el sistema electrónico desa-rrollado:

Desarrollar el modulo de fotoceldas con mejor diseño para añadirlo de maneraestética al VANT.

Desarrollar un circuito impreso para conectar los diodos y supercapacitores yagregarlo al VANT. En el sistema físico para el transporte de luz (acrílico)mejorar el patrón de irradiación.

Añadir un sistema de que mida la radiación solar, para conocer la irradiaciónsolar que incide sobre el panel solar, y saber si es óptimo tener el VANT envuelo.

Realizar más pruebas para conocer cuantas celdas solares se necesitan por motorsin escobillas.

Implementar un nuevo circuito de suerpacacitores con menos peso y mayorcapacitancia.


Conclusiones y trabajo a futuro 67

Logar una comercialización del sistema de fotoceldas y supercapacitores paraVANTs.


68 Capítulo 9


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