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INSTRUMENTO PARA LA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO DE MANERA REMOTA
PROYECTO DE GRADO
DANIEL VARGAS HERNÁNDEZ
200426158
ASESOR:
ÁLVARO PINILLA Ph. D, M. Sc
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, JUNIO DE 2009
2
Bogotá D.C. Junio de 2009
Doctor
ALEJANDRO MARAÑON
Director Dpto. Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Ciudad
Respetado Doctor
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de grado “INSTRUMENTO PARA
LA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO DE MANERA REMOTA” elaborado por
Daniel Vargas Hernández como requisito para optar el título de Ingeniero Mecánico.
Atentamente
Álvaro E. Pinilla Sepúlveda
Asesor
3
Bogotá D.C. Junio de 2009
Doctor
ALEJANDRO MARAÑON
Director Dpto. Ingeniería Mecánica
Universidad de los Andes
Ciudad
Respetado Doctor
Por medio de la presente someto a su consideración el proyecto de grado “INSTRUMENTO PARA
LA MEDICIÓN DE LA VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DEL VIENTO DE MANERA REMOTA” elaborado por
Daniel Vargas Hernández como requisito para optar el título de Ingeniero Mecánico.
Atentamente
Daniel Vargas Hernández
COD: 200426158
4
TABLA DE CONTENIDOS
1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................... 9
2. OBJETIVOS ......................................... ....................................................... 11
2.1 Modelo Físico de la Prueba de Concepto .................................................... 12
2.1.1 Sistema Semiestático del Modelo ........................................................ 12
2.1.2 Función, Tensión y Longitud en la Catenaria ........................................ 14
2.1.3 Volumen de helio requerido Teórico: ................................................. 15
2.1.3.1 Masa Variable ................................................................................ 16
2.1.3.2 Ecuación de Volumen..................................................................... 17
3 EQUIPOS Y SENSORES ............................................................................ 19
3.1 Sistema de Comunicación ........................................................................ 19
3.2 Sensores .................................................................................................. 20
3.3 Microcontrolador ...................................................................................... 22
3.4 Globo Atmosférico. ................................................................................... 22
4. TRANSMISIÓN DE DATOS .............................. .......................................... 24
4.1 Funcionamiento del Sistema Zigbee ........................................................ 24
4.2 Fuente .................................................................................................. 25
4.3 Funcionamiento del Microcontrolador ................................................... 25
4.3.1 Microcontrolador en el Anemómetro ................................................... 26
4.3.2 Microcontrolador en la Veleta ............................................................. 28
4.4 Formato Recepción de Datos ................................................................ 31
4.5 Desarrollo del Prototipo. .......................................................................... 32
4.5.1 Transmisión de Datos ........................................................................ 33
4.5.2 Caja de Acople...................................................................................... 34
4.6 Peso y Costo del sistema Zigbee .......................................................... 37
5. UNIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS ....................... .................................... 39
5.1 Pruebas de Transmisión .......................................................................... 39
5.1.1 Alcance lugares Cerrados ................................................................ 39
5.1.2 Alcance lugares Abiertos ...................................................................... 40
5
5.1.3 Prueba Túnel de Viento ......................................................................... 40
5.2 Diseño del Experimento .............................................................................. 41
5.2.1 Prueba de Permeabilidad ..................................................................... 41
5.2.2 Prueba de Concepto ............................................................................. 43
5.3 Resultados y Conclusiones de las Pruebas ................................................ 46
6. CONCLUSIONES Y PROYECCIÓN ................................................................ 48
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA ........................ .............................................. 50
ANEXO A. CATÁLOGO ANEMÓMETRO NRG #40
ANEXO B. CATÁLOGO VELETA NRG #200P
ANEXO C. ESPECIFICACIONES ANTENAS XBEE
ANEXO D. INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN DESARROLLO
6
ÍNDICE TABLAS
Tabla 1: Cálculos para Volumen de Helio requerido ................................................... 17
Tabla 2: Volumen necesario modelo de Ivchenko ....................................................... 18
Tabla 3: Empuje modelo de Ivchenko ............................................................................ 18
Tabla 4: Rango Operación Anemómetro ....................................................................... 26
Tabla 5: Rango Operación de la Veleta ......................................................................... 29
Tabla 6: Función de Transferencia de lo que se transmite al valor Decimal ........... 32
Tabla 7: Peso y Costo del Proyecto ............................................................................... 38
Tabla 8: Prueba Túnel de Viento ..................................................................................... 41
Tabla 9: Prueba de Permeabilidad ................................................................................. 43
7
ÍNDICE FIGURAS
Figura 1: Diagrama de cuerpo libre Concepto de la Solución ........................................... 12
Figura 2: Diagrama Cuerpo Libre Cuerda ........................................................................ 14
Figura 3: Antenas Xbee Oem de transmisión y recepción ................................................ 19
Figura 4: Tarjeta de desarrollo para módulos Xbee, Básicos y Pro .................................. 20
Figura 5: Anemómetro NRG#40H, Veleta NRG#200P ..................................................... 21
Figura 6: PIC 16F877A .................................................................................................... 22
Figura 7: Globo Atmosférico ............................................................................................ 23
Figura 8: Diagrama de flujo de transmisión ...................................................................... 24
Figura 9: Funcionamiento del Microcontrolador en el Anemómetro .................................. 27
Figura 10: Divisor de Voltaje de la Veleta ........................................................................ 28
Figura 11: Conversor A/D del microcontrolador en la Veleta ............................................ 29
Figura 12: Formato Recepción de Datos.......................................................................... 31
Figura 13: Circuito Impreso .............................................................................................. 33
Figura 14: Bosquejo Conjunto Sensores Transmisión de Datos Dimensiones (mm) ........ 34
Figura 15: Conjunto Sensores y transmisión .................................................................... 35
Figura 16: Acople Sensores a Caja .................................................................................. 35
Figura 17: Terminales Anemómetro ................................................................................. 36
Figura 18: Terminales Veleta ........................................................................................... 36
Figura 19: Ubicación Equipos de Transmisión en la Caja ................................................ 37
Figura 20: Diagrama Prueba de Distancia (Recinto cerrado) ........................................... 39
Figura 21: Prueba Túnel de Viento .................................................................................. 40
Figura 22: Prueba de Permeabilidad al Agamix ............................................................... 42
Figura 23: Empuje del globo ............................................................................................ 42
8
Figura 24: Prueba de Concepto ....................................................................................... 44
Figura 25: Anclaje Prueba de Concepto........................................................................... 45
Figura 26: Muestra de los Datos durante la prueba de concepto ..................................... 46
Figura 27: Flujo de Aire en el lugar de la Prueba de concepto ......................................... 47
9
1. INTRODUCCIÓN
El acelerado crecimiento de la población mundial, así como de sus necesidades, han
hecho que la demanda energética se haya venido acrecentando de forma exponencial. La
dependencia que ha tenido la humanidad por fuentes de energía tales como los
combustibles fósiles ha empezado a decrecer por varios motivos. Uno de ellos es que la
oferta ya superó el punto medio en el cual la cantidad es cada vez menor, lo cual implica
unas cuantas décadas más antes de que se agoten. Otro motivo y tal vez el de mayor
interés en este momento, hace referencia al calentamiento global. La causa principal se
debe a las emisiones de fuentes móviles e industrias, donde los productos del uso de los
combustibles fósiles tales como el monóxido de carbono, el dióxido de carbono, material
partículado, etc., generan efecto invernadero con todas las consecuencias negativas que
este trae. Por tal razón la humanidad y la comunidad científica se ha enfocado en el
surgimiento de sustitutos de estos hidrocarburos, tales como la energía eólica.
El hombre desde hace ya cientos de años ha aprovechado los beneficios del viento,
usando esta forma de energía para moler maíz, bombear agua, etc. La mayor ventaja
que tiene el uso de la energía cinética del viento para producir electricidad o alguna otra
tarea es su inagotable capacidad. Desde los últimos 30 años se han venido construyendo
molinos cada vez más grandes. Se inició con turbinas de 20 a 30kW de 15 y 20m de
diámetro hacia principio de la década de los 80. Posteriormente con el estudio del recurso
eólico se ha mejorado el factor de planta y la disponibilidad de los equipos trayendo como
consecuencia que hoy en día tenemos equipos de hasta 3.6MW y se pronostican turbinas
de 5MW para el futuro cercano.
Como se mencionó anteriormente el factor de planta en un aerogenerador es una variable
muy importante que hace referencia a la relación entre la energía suministrada por el
equipo y lo que debería generar si operara a su potencia nominal durante un periodo T
(por lo general medido en 1 año o 8760 horas). Factores de planta altos son directamente
proporcionales al estudio previo a la realización del proyecto del recurso eólico disponible
en la zona donde se ubicarán las turbinas. No basta con verificar velocidades altas de
viento en una zona, sino que estas rachas ocurran con mucha frecuencia a lo largo del
tiempo.
10
Para medir el recurso eólico, es importante tener en cuenta variables como la velocidad y
dirección del viento, la humedad relativa, la radiación, etc. Grandes parques eólicos
utilizan un equipo llamado LIDAR que tiene una serie de usos diferentes dentro del área
de la cartografía, topografía y que en éstas empresas se usa para medir la velocidad del
viento a grandes alturas (rangos de 0 a 2000m), este instrumento funciona gracias al
retraso temporal del haz de láser reflejado por aerosoles en el aire, pero LIDAR
representa un costo muy alto (alrededor de US$ 400000) para las compañías que quieran
hacer uso de sus beneficios.
A parte de este equipo, se usan torres meteorológicas, que como su nombre lo dice es
una estructura de la altura que se requiera (20, 40, 60m) donde en su parte superior se
ubican dataloggers que registran datos de todas las variables meteorológicas, se
transmiten y se almacenan para su estudio. Estas torres también implican un costo alto,
aproximadamente US$15000.
El proyecto que se desarrolla y se muestra a continuación consiste en probar un concepto
en donde se diseña y construye un instrumento capaz de medir la velocidad y dirección
del viento a diferentes alturas. Para ello se hace uso de un globo atmosférico, el cual una
vez inflado con helio, sube hasta una altura determinada. Esto a su vez lleva consigo
equipos de transmisión de datos, los cuales envían de forma inalámbrica la información
para ser observados, almacenados y analizados en tierra, para la predicción del recurso
eólico en una zona determinada.
11
2. OBJETIVOS
La industria de la energía eólica está teniendo un crecimiento exponencial alrededor del
mundo, grandes inversiones están previstas para el futuro cercano, incluso en
Latinoamérica. Para un país como Colombia, donde se ha hecho un proyecto piloto en la
Guajira llamado parque eólico de Jepirachi, es importante tener datos del recurso eólico
en las zonas de potencial alto, preferiblemente, para que de esta manera se pueda
aumentar la confianza inversionista en proyectos de energías renovables en nuestro país.
Este proyecto pretende diseñar y construir un dispositivo que conste de un anemómetro y
una veleta y que tenga la capacidad de transmitir datos de velocidad y dirección de viento
a tierra, a través de un sistema de transmisión inalámbrico, por medio de un globo
atmosférico que permita ubicar el dispositivo a una altura determinada.
Este proyecto de grado es una prueba de concepto, el cual busca verificar soluciones
alternativas a los dispositivos convencionales que se usan en parques eólicos. Más allá
de convertirse en un producto comercial, se pretende estudiar su viabilidad, la estabilidad
de los equipos una vez estén acoplados al globo y la confianza de los datos que se
transmiten.
Para lograr el objetivo, se tiene en cuenta básicamente 3 parámetros. El bajo peso de los
componentes, que el modo de transmisión cumpla con los requerimientos de cualquier
equipo o estación meteorológica comercial, y que se acople de forma adecuada a un
globo atmosférico comercial.
Para lograr un producto confiable y de alta calidad, no se debe sacrificar la buena calidad
por el costo, porque esto se ve reflejado en el resultado final.
Durante el desarrollo del proyecto, se verifica constantemente la calidad del sistema de
transmisión Zigbee, el cual es un sistema de comunicación remoto que permite enviar y
recibir datos cada 3 segundos, con un bajo consumo de energía, y un muy bajo peso.
Una vez verificado lo anterior el sistema de comunicación se unirá a los sensores a través
de un prototipo capaz de acoplarse al globo atmosférico con el fin de probar que el
concepto es viable, y continuará con un desarrollo posterior para optimizarlo.
12
2.1 Modelo Físico de la Prueba de Concepto
En este capítulo se hará una descripción de las fuerzas aerodinámicas, el peso de los
equipos y el volumen de helio requerido teórico con base en los resultados obtenidos del
prototipo sensores-transmisión de datos. La figura1 ilustra el diagrama de cuerpo libre de
la prueba de concepto:
Figura 1: Diagrama de cuerpo libre Concepto de la Solución
2.1.1 Sistema Semiestático del Modelo
A partir de la Figura 1 cuando el globo se eleva, se encuentra anclado a tierra por el cable
(Nylon). La tensión en el mismo será igual a la sumatoria vectorial del arrastre de todo el
instrumento, el peso del mismo, y la sustentación que da el volumen de helio en el globo
así:
13
T: Tensión en el cable
W: Peso conjunto equipos de medición, globo.
L: Sustentación o fuerza de empuje
D: Arrastre del globo
.
Para determinar el coeficiente de arrastre, se debe verificar en que número de Re se
encuentra el instrumento. Asumiendo los siguientes parámetros de velocidad y diámetro
del globo, se tiene:
0.95 @100 á,
10 ! "#$%,
2$ 2 "#$%,
' 1.75)10*+ , !-
./ ' 1.01)100
Donde 123454 6 0.51 #"$" ./ 7 100.
Además se sabe que:
893:4;893:4
1 WHITE, Frank; Fluid Mechanics, 6, ed, pág. 467
14
2.1.2 Función, Tensión y Longitud en la Catenaria
En el momento que el globo ascienda, el arrastre, la sustentación y el peso de todo el
conjunto harán que el cable forme una catenaria, de la siguiente forma:
Figura 2: Diagrama Cuerpo Libre Cuerda 2
De la figura 2 se sabe que:
!/<= >!
?!= @
"<= >@ ! "! 1<1/ " >@
A partir de allí obtenemos:
Función Catenaria:
A 1" cosh "% F 1
2 BEDFORD, FOWLER; Estática, Mecánica para Ingeniería, pág. 475
15
Tension en el cable:
@ cosh "%
Longitud Cable:
! !/<G "%"
Lo anterior es útil para dimensionar la cantidad de cable (Nylon) que se necesita dada un
y (en este caso 100m), así mismo saber su posición en x.
2.1.3 Volumen de helio requerido Teórico:
La estimación que se hace a continuación corresponde al modelo de Ivchenko, el cual
hace referencia a la selección de la geometría de una membrana de un dirigible con
esquema flexible, y que ha sido tomada de “Diseño y Construcción de un Dirigible a Radio
Control para uso Publicitario” [2]. Aquí se determinará el volumen necesario teórico de gas
que necesita para elevarse 20m. Si se hiciera para 100m deberá tenerse en cuenta
parámetros tales como la variación de la temperatura y la presión con la altura.
Del principio de flotación de Arquímedes se sabe que:
;2HI , J H:K9 F 2HIL , M
;2HI: Volumen del gas de flotación (lo que se quiere averiguar)
H:K9: Densidad del aire a la altura de despegue
2HI: Densidad del gas de Sustentación
M: Masa del conjunto globo, equipos y cable.
La masa M corresponde a la suma de las masas variables y las masas constantes. La
primera o MNHK corresponde a la masa de la membrana de Látex de la cual está hecho el
16
globo y que varía con el volumen de gas. Y la segunda o MOP9 hace referencia al peso de
los equipos y el cable:
M MNHK MOP9
2.1.3.1 Masa Variable
Esta masa depende del material del cual está hecha la membrana y el área de la misma
así:
MNHK , Q' , R9R
K: Para este caso se asumirá 1, ya que es el coeficiente de aumento de masa en las
uniones, y el globo no posee ninguna unión.
Q': Masa de 1 del material de la membrana.
El área de la membrana depende del volumen del gas así:
R9R S2.55 , T4VW X- Y/0 1.23 , \W , V , X4 ]/^ , ;2HI/
Donde:
λ= L/D o la relación de esbeltez que para un globo es aproximadamente 1.
X __` Coeficiente de llenado de la membrana. V el volumen de la misma. a El volumen
del cilindro que la contiene.
Reescribiendo la ecuación del área se tiene:
R9R , ;2HI/
17
Entonces:
MNHK , Q' , , ;2HI/
2.1.3.2 Ecuación de Volumen
Teniendo en cuenta la variabilidad de la masa de la membrana se obtiene:
;2HI , J H:K9 F 2HIL , F , Q' , , ;2HI/ , F MOP9 , 0
En la prueba de concepto que se expone en el capítulo 5, se modeló el volumen
necesario con base en el modelo de Ivchenko con los siguientes parámetros:
densidad gas (kg/m^3) 0,1785
densidad aire bog (kg/m^3) 0,95
λ 1
Ψ 0,67
peso globo (kg) 0,65
radio globo (m) 0,8
γµ 0,08
área sup (m^2) 8,04
C 3,47
Mvar (kg) 0,25
Mkte (kg) 0,4
k 1
ecuación volumen 0,002
Tabla 1: Cálculos para Volumen de Helio requerido
Conociendo C, k, Q' y la masa constante se obtuvo el volumen para el cual se hace cero
la ecuación anterior, el resultado es:
18
Volumen de helio necesario (m3) 0,8435
Tabla 2: Volumen necesario modelo de Ivchenko
Lo que teóricamente de un empuje de:
Empuje (kg) 0,994
Tabla 3: Empuje modelo de Ivchenko
19
3 EQUIPOS Y SENSORES
Para transmitir datos o información de velocidad y dirección de viento, se necesitan 3
instrumentos, los sensores, un sistema de comunicación, y un microcontrolador que tome
la señal de los sensores, y la transmita al sistema de comunicación como velocidad y
dirección.
En cuanto al modelo físico del proyecto, es necesario para las pruebas de concepto, un
globo atmosférico, y helio o un gas menos denso que el aire capaz de sustentar la carga
paga (payload) del prototipo.
3.1 Sistema de Comunicación
Siempre bajo la necesidad de bajo peso y buena calidad, se escogió el sistema de
transmisión inalámbrico Zigbee. Dicho sistema tiene un consumo muy bajo de energía, el
protocolo de transmisión es gratuito, no requiere un cargo mensual por enviar o recibir y
datos, y tiene un rango de transmisión en sus antenas, que se pueden adquirir
comercialmente, de 0 hasta 1600m, según la que se escoja.
Para este proyecto se adquirieron 2 antenas Xbee oem (transmisión y recepción), con un
alcance nominal de 30m en lugares cerrados y hasta 100m en campo abierto. Puede
transmitir 115bps y tiene un peso de 3 gramos. En la figura 3 se puede observar la
antena.
Figura 3: Antenas Xbee Oem de transmisión y recepci ón
20
La figura 3 muestra dos tipos de antena, Xbee y Xbee PRO, la primera es la utilizada en
este proyecto, la segunda, tiene un alcance mucho mayor, y puede ser adaptada en el
circuito que se mostrará más adelante en caso de ser necesario aumentar el rango de
transmisión. Los catálogos de las mismas se encuentran en el Anexo 3.
Aparte de las antenas de transmisión y recepción, es necesario una tarjeta de desarrollo
para los módulos Xbee. La figura 4 muestra el módulo.
Figura 4: Tarjeta de desarrollo para módulos Xbee, Básicos y Pro
Esta tarjeta es la que permite establecer una conexión entre la antena de recepción y el
PC por USB. Por medio de la tarjeta de desarrollo y un software compatible con Zigbee,
que en este caso es X-CTU, se pueden observar los datos de velocidad y dirección de
viento en pantalla, para posteriormente ser procesados, analizados y verificar su
distribución.
3.2 Sensores
Como se mencionó anteriormente, fue necesario adquirir un anemómetro y una veleta o
sensor de dirección de viento. Para tener certeza de un buen resultado, se obtuvieron de
la empresa NRG systems, la cual brinda los catálogos necesarios para conectar los
sensores a cualquier tipo de estación meteorológica. Los catálogos en este caso son de
vital importancia a la hora de programar el microcontrolador, ya que éstos brindan las
condiciones de operación máximas y mínimas, los requerimientos de corriente y voltaje
21
respectivos y los tipos de señal que envían. Todo este proceso se explicará en el capítulo
4.
En cuanto el anemómetro, el fabricante ofrece 3 tipos de anemómetros de cazoletas, para
este proyecto se escogió el “NRG #40H Anemometer, Hall Effect”, el cual a diferencia del
que le sigue en precio, necesita una fuente para su operación, para todo lo demás son
iguales. Tienen el mismo peso (0.14kg), el mismo momento de inercia, la misma
constante de distancia (3m), etc. A pesar de que el que se escogió, requiere de una
fuente de voltaje adicional (5V - 24V), no tiene ninguna implicación porque la fuente
igualmente es necesaria para el sistema de comunicación y el microcontrolador, en
cambio si ofrece un precio mucho mejor.
En cuanto la veleta NRG systems sólo maneja un modelo comercialmente “NRG #200P
Wind Direction Vane, 10K, With Boot”, la cual fue escogida, por muchas razones, entre
ellas que tiene exactamente el mismo peso que el anemómetro, la fuente de voltaje
necesaria para su operación (0V – 15V), es perfectamente compatible con la que se
necesita para el resto de los componentes. La figura 5 ilustra los dos sensores.
Figura 5: Anemómetro NRG#40H, Veleta NRG#200P
El catálogo se puede ver en el Anexo 1 y 2.
22
3.3 Microcontrolador
El microcontrolador es el intermediario entre el sensor y la antena. Para el proyecto se
eligió el 16F877A por las razones que se exponen a continuación. El PIC o
microcontrolador debe ser programado, en dicho programa se especifica cada cuanto se
debe verificar la señal, así mismo allí se realiza la función de transferencia de la señal de
salida de los sensores al valor real de velocidad y dirección de viento, esos detalles serán
expuestos en el capítulo 4. Una vez se realiza el programa en MPLAB, el microcontrolador
se debe quemar a través de un quemador de PIC´s USB, para que el programa hecho
anteriormente quede instalado en el PIC o microcontrolador. El 16F877A, es compatible
con el quemador más común y comercialmente asequible, por tal razón su uso en este
proyecto. La figura 6 ilustra el PIC.
Figura 6: PIC 16F877A
3.4 Globo Atmosférico.
El objetivo de usar un globo aerostático es que sirva como plataforma que sustente el
prototipo, y permita que el mismo suba a una altura determinada por el anclaje o nylon
que va tener amarrado a tierra en todo momento.
El globo atmosférico es un globo suministrado por el IDEAM como ayuda al propósito
académico que tiene este proyecto. Proviene de un fabricante japonés (Totex
Corporation), y que ofrece un empuje teóricamente de 650 gr. La figura 7 ilustra el globo
durante una de las pruebas.
23
Figura 7: Globo Atmosférico
24
4. TRANSMISIÓN DE DATOS
4.1 Funcionamiento del Sistema Zigbee
El módulo Zigbee es un sistema de comunicación inalámbrico basado en el estándar IEEE
802.15.4. Tiene diferentes aplicaciones dada sus bajas tasas de envío de datos y su
consumo mínimo de energía.
Se escogió este sistema de transmisión de datos, por muchos motivos, entre ellos, su
bajo peso, su bajo consumo de energía y una relación costo beneficio importante para el
objetivo del proyecto. Por otro lado la tasa de transmisión de datos que se requiere para
cuantificar el recurso eólico y que generalmente se usa en una torre meteorológica es
enviar datos cada 3 segundos. En este caso se hará de esta manera, en donde la
velocidad del viento será registrada con 2 cifras decimales y la dirección del viento con 1°
de precisión, para lo cual las antenas Zigbee funcionan de manera adecuada. La figura 8
ilustra el diagrama de transmisión desde el globo hasta el computador.
Figura 8: Diagrama de flujo de transmisión
25
4.2 Fuente
Como se puede observar en las especificaciones técnicas de los equipos (Anexo 1 y 2), el
anemómetro y la veleta son sensores proporcionales a un voltaje DC. La veleta puede
operar en un rango de 1 a 15V DC, el anemómetro entre 5 y 24V DC, el microcontrolador
un máximo de 5.5V y las antenas 3V.
Inicialmente se empezó a hacer ensayos con una pila de 9V, era necesario disminuir este
voltaje de 9 a 5.5V como máximo para la operación del microcontrolador manteniendo los
requerimientos tanto de anemómetro como de veleta, y por tal razón se usaron
reguladores de voltaje de 5V. Como la antena de transmisión opera en un máximo de 3V,
después del microcontrolador se disminuye esos 5V a 3V por medio de resistencias.
Después de varias pruebas de transmisión se observó que los reguladores de 5V
consumen mucha energía, cerca del 55% de la batería, y con ello la pila se acababa
después de unas pocas horas de operación.
A raíz de este problema se ensayó con una pila de celular, que es recargable y tiene una
vida útil alta, pero con un agravante y es que éstas son de 3.9V. Lo cual es apto para
todos los componentes excepto para el anemómetro, que por catálogo opera entre 5 y
24V.
Con el uso de un osciloscopio se probó que el anemómetro podía funcionar con una pila
de 3.9V (celular). El efecto de un voltaje menor sobre este sensor tenía que ver
únicamente con la amplitud de la señal, pero las antenas seguían transmitiendo tanto
velocidad como dirección del viento.
4.3 Funcionamiento del Microcontrolador
El PIC tiene 2 tareas básicamente, verificar la señal, y hacer la función de transferencia,
para la veleta y el anemómetro. Este proceso lo hace en 6 segundos, en los cuales los 3
primeros los dedica a mirar la señal del anemómetro, procesarla y transmitirla a la antena.
En los siguientes 3 segundos realiza el mismo proceso, pero para la veleta.
26
4.3.1 Microcontrolador en el Anemómetro
El anemómetro entrega una señal cuadrada en donde su frecuencia es directamente
proporcional a la velocidad del viento de la siguiente manera:
b , 0.765 0.35 ?< /< d! e A bfg
El rango en velocidad de este sensor es de 1 a 96 m/s y en frecuencia de 0.84 a 125Hz.
El periodo es:
1/b
Por lo tanto se tiene:
Rango del
sensor
Frecuencia
(Hz)
Velocidad
(m/s)
Periodo
(s)
Mínimo 0,84 1 1.19
Máximo 125 96 0.008
Tabla 4: Rango Operación Anemómetro
La tabla 4 muestra que cuando el anemómetro está a máxima velocidad (96 m/s) la señal
tiene un periodo de 8 ms, y a su mínima velocidad (1m/s) la señal tiene un periodo de
1.19s. El microcontrolador lo que hace es verificar la posición de la señal a una tasa de
0.1ms. Es decir que si la onda cuadrada está en su máxima frecuencia es decir máxima
velocidad hará 80 muestreos antes de transmitir, lo que implica un error muy bajo. En su
mínima velocidad hará 11900 muestreos antes de procesar y transmitir. La figura 9
expone de manera gráfica la función del contador del microcontrolador.
27
Figura 9: Funcionamiento del Microcontrolador en el Anemómetro
El contador cuando va a verificar la señal, si la encuentra en 3.9 V, es decir en un
máximo, espera hasta que llegue al mínimo para empezar el conteo y viceversa, esto con
el fin de hacer la cuenta completa de la frecuencia o el periodo de la señal, y evitar que
mida un periodo erróneo.
Una vez lo ha hecho, cada 0.1ms va verificando el valor del voltaje, una vez cambia del
mínimo al máximo o viceversa, sigue contando a la misma tasa hasta que ocurra un
nuevo cambio, y de esa manera registra el periodo completo.
Por ejemplo si el anemómetro está en su mínima velocidad 1 m/s, frecuencia de 0.84 Hz,
realiza 11900 muestreos y se tarde en verificar la señal 1.19s de los 3s que tiene
disponibles para transmitir. En ese intervalo de tiempo restante usa la función de
transferencia y manda a la antena la velocidad en m/s en sistema Hexadecimal.
28
4.3.2 Microcontrolador en la Veleta
La veleta es un potenciómetro, que responde de manera lineal a un voltaje determinado.
Como se mencionó anteriormente el voltaje de referencia que se usa es de 3.9V que
corresponde a la pila de un celular.
La veleta tiene un valor máximo resistivo de 10K directamente proporcional con la
posición angular, en la cual para obtener una relación lineal entre la resistencia y el voltaje
se realiza un divisor de voltaje con otra resistencia (constante) de 10K como se muestra a
continuación:
Figura 10: Divisor de Voltaje de la Veleta
La figura 10 muestra el divisor de voltaje usado en el circuito. La flecha roja indica que
éste es el potenciómetro. Se determinará (R) como el valor de la resistencia en cualquier
posición angular, con ello tenemos que la función es la siguiente:
, .10 .
29
Es el valor del voltaje que observa el microcontrolador, V es el voltaje de referencia
(3.9V). Según esto tenemos dos valores extremos de voltaje para 0 y 10K, como se
observa a continuación y en la tabla 5:
Cuando R=0K
, 010 0 0
Cuando R=10K
, 1010 10 2
Rango del
Sensor Resistencia(KΩ) Voltaje (V) Ángulo (°)
Máximo 0 0 0
Mínimo 10 1,95 360
Tabla 5: Rango Operación de la Veleta
El PIC (microcontrolador) lo que hace es verificar el voltaje cada 3 segundos. Y con un
conversor A/D de 10 bits transmite a la antena lo siguiente:
Figura 11: Conversor A/D del microcontrolador en la Veleta
30
La antena transmite el número de conteos tal como lo muestra la Figura 11, y no el ángulo
que presenta la veleta con respecto a la referencia. Esto ocurre porque la función de
transferencia que se mostrará a continuación hace que para ciertos valores de conteos se
supere 20 o 65536. Y el programa donde se programó el PIC no reconoce valores
superiores a éste y tampoco números decimales.
Como lo que se transmite son conteos, la función de transferencia para conocer el ángulo
es:
h 360?1024 F ?
α: Ángulo de la veleta con respecto a la referencia que trae la misma.
c: Número de conteos que se transmite.
Cabe aclarar que el máximo número de conteos que se puede transmitir es 512, dado que
el divisor de voltaje como se mencionó anteriormente hace que el voltaje máximo sea de
V/2 o 1.95V.
La función de transferencia anterior se obtiene de despejar las siguientes ecuaciones y
dejarlas en términos de c y h:
4?1024 ?<i/$!$ /
4.10 . jij!$ 1/ ik"l/
h 360.10 $/k"?jó< kj</"k /<$/ h A .
31
4.4 Formato Recepción de Datos
Antes de ilustrar las pruebas realizadas a los equipos, la figura 12 muestra el formato con
el que se transmiten los datos:
Figura 12: Formato Recepción de Datos
La figura 12 muestra 126 segundos de transmisión. Allí se transmitieron 21 datos de
velocidad y 21 datos de dirección de viento.
El número 55 indica que se está transmitiendo velocidad y las letras AA indican dirección
de viento. Todos los datos tanto de dirección como de velocidad de viento están en
sistema Hexadecimal. La tabla a continuación muestra como se transforman dichos datos
a sistema decimal con el primer dato de cada sensor en la figura 12.
32
Tabla 6: Función de Transferencia de lo que se tran smite al valor Decimal
Como se observa en la tabla 6 el valor final de velocidad de viento es un valor en m/s, el
valor final de dirección es un número de conteos, en la cual se aplica una ecuación de
transferencia y se obtiene el ángulo con respecto a la referencia como se mencionó
anteriormente.
En cuanto a la velocidad se transmiten 4 números, en este caso (015E), los primeros dos
números (01) corresponden a la parte entera de la velocidad y los segundos 2 números
(5E) a la parte decimal, por ello la transformación se hace independiente como lo muestra
la tabla 6.
En cuanto a la dirección del viento, no se programó para tener decimales, 1° de
incertidumbre experimental es lo necesario para evaluar el recurso eólico.
4.5 Desarrollo del Prototipo.
La carga paga (payload) que llevará el globo, es una caja liviana de madera con dos
brazos que soporten los dos sensores y además el circuito con la antena de transmisión,
tal como se mostrará en el bosquejo del prototipo, y en el prototipo como tal terminado. El
sistema como se mencionó anteriormente consta de 2 antenas (transmisión y recepción) y
la tarjeta de desarrollo que se ubica en tierra conectada a la antena de recepción. La
antena de transmisión está en el globo conectada al PIC.
Para disminuir el peso del circuito en el globo, se hizo el impreso del mismo que
corresponde a una placa de cobre con las líneas de conducción donde se sueldan las
partes, y se evita el uso de la protoboard.
33
4.5.1 Transmisión de Datos
En el circuito impreso, además del PIC, la antena de transmisión, se encuentran los
conectores de la veleta, anemómetro y de la fuente. Así mismo la resistencia de 10K para
el divisor de voltaje de la veleta, una resistencia de 2K para el anemómetro (tal como lo
menciona el catálogo), 1 cristal de 4MHz que es lo que le da la velocidad de
procesamiento al PIC, un botón de Reset, y un interruptor ON-OFF. A continuación se
muestra el desarrollo del prototipo, a partir del circuito impreso. La Figura 13 ilustra la
disposición de la batería y el circuito impreso:
Figura 13: Circuito Impreso
Batería Conector
batería Conector Veleta Conector
Anemómetro
Botón de Reset Resistencia 10K
de la Veleta
ON-OFF Antena de
transmisión
34
4.5.2 Caja de Acople
Aprovechando que el peso de los sensores es igual, se decidió fabricar una caja
completamente simétrica, guardando una distancia prudencial entre los mismos. A
continuación se muestra el plano del prototipo.
La figura 14 ilustra el bosquejo del Conjunto Sensores y Transmisión.
Figura 14: Bosquejo Conjunto Sensores Transmisión d e Datos Dimensiones (mm)
La caja de acople fue fabricada con una tabla de madera de 170X100X20 mm con un
peso de 0,13 kg. Sobre dicha tabla esta atornillada una tabla de balso de 170X100X10
que es donde se ubica el circuito y la batería. A su vez en ella se ubica una tapa fabricada
en acrílico 165X75X35, que entra a presión sobre la misma, y mantiene cubiertos los
equipos del viento y el agua.
Las imágenes a continuación ilustran lo anterior:
35
Figura 15: Conjunto Sensores y transmisión
La figura 15 ilustra la posición de los sensores y como se conectan al circuito. Éste es el
prototipo terminado, listo para ser enganchado al globo. El anemómetro y la veleta en su
parte inferior tienen un acople donde se puede insertar un tubo de 1/2 in con su respectivo
pasador para asegurarlo. Así mismo viene con un cono de caucho para cubrir las
conexiones al mismo. La figura 16 muestra lo anterior:
Figura 16: Acople Sensores a Caja
Pasador
Tubo de aluminio
1/2 ´´
Cono de caucho
36
Los tubos curvados que se acoplan a los sensores son de aluminio de 1/2 in, y en la caja
están atornillados a la tabla de madera. Cabe aclarar que la tabla es pesada (0.12 kg),
pero esto por mantener la estabilidad de los sensores, ya que estos van atornillados a
dicha tabla.
Por dentro del tubo van los cables que se conectan a los sensores de la siguiente manera:
Figura 17: Terminales Anemómetro 3
Figura 18: Terminales Veleta 4
3 Tomado de: “http://www.nrgsystems.com/FileLibrary/62062bfb150241199f7b6db4179c647a/an40h.pdf”
37
Las figuras 17 y 18 ilustran las terminales de los sensores, ambos planos fueron tomados
del fabricante, pero cabe aclarar que las convenciones de colores usados en este
desarrollo son diferentes. El naranja es el (+), verde es (tierra o -) y el blanco es la señal.
La figura 19 muestra el lugar donde se ubica el circuito, y allí se observan las conexiones
que vienen de cada uno de los sensores, para conectarlas al circuito:
Figura 19: Ubicación Equipos de Transmisión en la C aja
4.6 Peso y Costo del sistema Zigbee
Uno de los requerimientos que se tuvo desde el principio es que los instrumentos que
estarán en el globo sean bastante livianos, así como el cable que lo mantendrá anclado a
tierra, debido a los costos del Helio. Entre más peso mayor volumen de He para levantar
los equipos. Por tal razón es relevante especificar estos datos y así como el costo en que
4 Tomado de:
“http://www.nrgsystems.com/FileLibrary/1544a955d14945ddadfe668884396470/Symphonie_Sensor_Connection_instructions.pdf”
Conector Veleta Conector Anemómetro
38
se incurrió, con el ánimo de verificar si es rentable este nuevo desarrollo en el área de la
medición del recurso eólico.
El peso y costo de todos los elementos se especifican a continuación:
Sistema Transmisión Peso (kg) Costo ($)
Anemómetro 0,14 160*
Veleta 0,14 205*
Antena Xbee Recepción * 0,003 115.000
Tarjeta de Desarrollo * 0,005 97.000
Antena Xbee Transmisión 0,003 115.000
Microcontrolador 16F877a 0,005 10.000
Circuito Impreso 0,025 20.000
Caja Acople 0, 290 5.000
Otros 0,001 5.000
TOTAL 0,595 1´800.000
* En tierra * Precio en dólares
Tabla 7: Peso y Costo del Proyecto
En teoría el precio total del proyecto es de 1´352.500 pesos, pero a ese precio se le
deben sumar costos de importación de los sensores, así como de manipulación y envío
de los componentes, IVA y la tasa de cambio. Con lo que el precio total fue
aproximadamente de 1´800.000 pesos, cerca de 800 dólares, como lo muestra la tabla 7,
lo cual es bastante interesante comparado con otros instrumentos.
Además de estos costos es necesario agregar el costo del gas de sustentación. El cual
por cada prueba se usa aproximadamente medio cilindro del gas, que para el Agamix
tiene un costo de 46.000 pesos
39
5. UNIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS
5.1 Pruebas de Transmisión
A continuación se muestran pruebas de alcance de transmisión de las antenas tanto en
lugares cerrados como abiertos. Y además se probó el equipo en el túnel de viento para
verificar que lo que transmite son valores exactos de velocidad de viento.
5.1.1 Alcance lugares Cerrados
La prueba se llevó acabo mientras los equipos estaban en el túnel de viento. Se realizó un
recorrido hasta que dejó de recibir datos, y estos fueron los resultados:
Figura 20: Diagrama Prueba de Distancia (Recinto ce rrado) 5
5 Tomado de:
http://ingenieria.uniandes.edu.co/imagenes/editor/piso1.png?PHPSESSID=156e6536449afb3ba8645d968b266587
40
La figura 20 indica el recorrido que se realizó con el computador, desde el túnel de viento
sobre un mapa del 1 piso del edificio Mario Laserna. Las distancias aproximadas son de
18 X 8 m, lo que linealmente corresponde a un 20m aproximadamente. Por catálogo las
antenas transmiten hasta 30 m en recinto cerrado. Aquí como se puede apreciar hay 5
paredes desde el túnel de viento hasta donde se realizó el recorrido, y es incierto el efecto
que tengan antenas de internet inalámbrico que hay en el edificio sobre el sistema Zigbee.
Por lo cual el resultado es relativamente bueno.
5.1.2 Alcance lugares Abiertos
En esta prueba el resultado fue bastante acertado con el esperado por catálogo de la
antena Zigbee. El recorrido contó de 109 pasos en línea recta desde donde estaban los
equipos hasta que dejo de recibir datos el computador. Cada paso aproximadamente fue
de 80cm lo que da 87 m de distancia lineal. Bastante adecuado para el proyecto.
5.1.3 Prueba Túnel de Viento
Los equipos se ubicaron sobre la base de la boca del túnel como lo muestra la Figura 21:
Figura 21: Prueba Túnel de Viento
41
Se realizaron pruebas a dos velocidades diferentes (3.1 m/s) y (6.1 m/s) como lo muestra
la tabla 8. Ambas velocidades registradas con el anemómetro digital que se observa en la
figura 21. Los equipos transmitieron durante 5 minutos aproximadamente para los dos
experimentos con los siguientes resultados:
Tabla 8: Prueba Túnel de Viento
Existe un porcentaje de error considerable en éstos resultados, debido a que en el
momento de la prueba se encontraba un montaje relativamente grande aguas abajo del
instrumento.
5.2 Diseño del Experimento
Con el globo que se especificó anteriormente, se realizaron 2 pruebas, la primera fue de
permeabilidad del látex al gas Agamix (Mezcla de Argón-Helio), y la segunda, una prueba
de concepto donde se verificó la estabilidad del dispositivo, y se validó que el modelo es
una solución al problema inicialmente planteado.
5.2.1 Prueba de Permeabilidad
Esta prueba fue realizada en la terraza del 8 piso del edificio Mario Laserna. Básicamente
se llenó el globo con Agamix a 0.25MPa haciendo uso de un cilindro de 0.0314 a
13.78 MPa.
El globo tenía dos anclajes, el primero era para asegurarlo y evitar que se fuera dado que
la prueba duró 5 días. El segundo anclaje iba conectado a un dinamómetro para verificar
el empuje que ofrecía, tal como muestra la siguiente figura 22 y 23:
42
Figura 22: Prueba de Permeabilidad al Agamix
Figura 23: Empuje del globo
Dinamómetro
43
La figura 23 muestra el empuje en (N) del globo. Este valor tenía mucha variabilidad dado
a que el viento en la terraza norte costado oriental del edificio tiene ráfagas de viento muy
fuertes dado a que está justo en frente del cañón entre Monserrate y el cerro de
Guadalupe, además se genera mucha turbulencia en el punto del experimento dado al
efecto del choque del flujo con el mismo edificio. Por lo mismo se tomaron mediciones en
diferentes momentos del día durante 4 días arrojando los siguientes resultados:
Día Hora
Empuje
(N)
Lunes 02:40 p.m. 3.5 - 4
Martes 06:30 a.m. 3 - 3.5
Martes 08:30 a.m. 3.5 - 4
Martes 10:00 a.m. 3.5
Martes 11:30 a.m. 3 - 3.5
Martes 12 m 3.5
Miércoles 08:30 a.m. 2
Miércoles 11:35 a.m. 1.5
Jueves 06:30 a.m. 0.5 - 1
Tabla 9: Prueba de Permeabilidad
La tabla 9 muestra valores de empuje menores en la mañana temprano como se observa
en el dato del martes a las 6:30. Esto ocurre porque el gas cuando hay más sol se
expande lo que implica un mayor volumen y por lo mismo más empuje.
De la tabla anterior se observa que el material del que está hecho el globo tiene una
pérdida de este gas de entre 25 y 30% diario. Lo que para el producto final no sería apto,
dado que los datos deben transmitirse prácticamente ininterrumpidamente, pero para
probar el concepto es de gran utilidad.
5.2.2 Prueba de Concepto
Esta prueba se llevó acabo también en la terraza norte costado oriental del edificio Mario
Laserna. Se utilizó le mismo globo usado en la prueba anterior que teóricamente da 650
44
gr de empuje. Se usó el mismo cilindro de Agamix a 13.78 MPa, y se infló el globo a una
presión de 0.25 MPa.
La siguiente figura ilustra el acople de los equipos al globo, y la forma como fue
enganchado a tierra:
Figura 24: Prueba de Concepto
La figura 24 muestra 3 cuerdas que van al globo, esto para impedir que el mismo chocara
con las paredes o algún elemento que pudiera comprometer la integridad de los equipos.
El volumen de Agamix en el globo era suficiente para elevarse con los equipos, pero el
arrastre que tenía el mismo debido al flujo tan turbulento que existe en ese punto, junto
con las tensiones de las cuerdas desde 3 direcciones diferentes hacía que en el momento
que el globo subiera y se desplazara hacia algún lado la tensión del cable opuesto lo
hacía descender, lo que impedía dejarlo por sí mismo.
45
En la siguiente figura se ilustra lo anterior:
Figura 25: Anclaje Prueba de Concepto
Inicialmente en el momento de inflar el globo el cambio de presión en el cilindro fue de
6.89 MPa, lo suficiente para elevar los equipos, pero no lo suficiente para tensar las
cuerdas. Por tal razón se procedió a usar 5.52 MPa más que aún quedaban en el cilindro.
Con ello el volumen del globo aumentó en un 30%, lo que trajo como consecuencia que el
material cediera ante la presión interna y se rompiera.
Esta prueba era con el ánimo de mostrar que el globo puede sustentar los equipos de
transmisión, que además los equipos transmiten de manera adecuada. La figura a
continuación ilustra una muestra de los datos que se recibieron durante el ensayo, estos
datos son bastante variables dadas las condiciones que se presentaron durante la prueba.
46
Figura 26: Muestra de los Datos durante la prueba d e concepto
Como se puede ver en la figura 26 las velocidades oscilan desde 1 m/s a 8 m/s, estos
datos se recibieron en el momento que se amarraba el globo desde 3 puntos diferentes, y
el prototipo fue manipulado para evitar que chocara con alguna pared de la terraza. Por tal
razón se observa la variabilidad en la dirección del viento.
5.3 Resultados y Conclusiones de las Pruebas
Los sistemas de transmisión funcionaron de manera adecuada, enviando datos cada 3
segundos tal como se programó en el microcontrolador.
En el momento de la prueba se demuestra una de las complicaciones que trae el hecho
de no tener una base estable como la que se está proponiendo en el proyecto. El globo
puede girar con respecto a su eje, lo que induce 2 situaciones una en cada sensor:
47
• En el anemómetro se induce una velocidad angular relativa del anemómetro al
viento, dado a que no está quieto, y es difícil cuantificar el efecto sobre la
verdadera velocidad del viento.
• La veleta mide un ángulo con respecto a una referencia ubicada en la misma, por
lo que si se presentan giros de todo el conjunto, el ángulo que se transmite es
erróneo.
La figura 27 ilustra las condiciones que se presentan en el lugar del experimento:
Figura 27: Flujo de Aire en el lugar de la Prueba d e concepto
El flujo era muy turbio en el lugar de la prueba, lo que hace que los resultados de la
prueba estén enfocados hacia la estabilidad del conjunto globo-equipos.
Por lo anterior, vale la pena realizar el mismo experimento en campo abierto, libre de
turbulencias generadas por el choque del flujo de aire sobre los edificios, liberando al
globo y dejándolo subir lo suficiente, para verificar velocidad y dirección que bajo esas
condiciones será más sencillo compararlas con torres meteorológicas portables.
48
6. CONCLUSIONES Y PROYECCIÓN
Existen varios ajustes para lograr un producto terminado, y un nuevo concepto en la
medición del recurso eólico.
En cuanto a la transmisión de datos, se realizaron mejoras al sistema en cuanto a la
batería, dado que se dejó de usar pilas desechables de 9V, por pilas recargables de
celular. El ahorro en ese sentido es interesante sin afectar el resultado de las mediciones
y la transmisión. Pero valdría la pena intentar otro tipo de fuente que se acople al objetivo
de la medición del recurso eólico, el cual debe ser lo más ininterrumpido posible.
Sería interesante probar el uso de paneles solares que acumulen energía durante el día y
suplan la necesidad durante la noche.
Esta solución debe estar acompañada del diseño de un nuevo globo. El globo utilizado
durante esta parte del proyecto es un globo atmosférico, estos globos no están diseñados
para contener el gas por largos periodos, son usados únicamente para subir a grandes
alturas, servir de plataforma para tomar mediciones de diferentes variables
meteorológicas mientras suben, y cuando la diferencia de presión entre el interior y la
presión atmosférica a esa altura sea muy grande estos se expanden hasta en punto
donde el látex cede y se rompe. Por ello se propone hacer uso de película de
polipropileno metalizado laminado con polietileno, que es el material con el que se
empacan las papas fritas, y está comprobado por el proyecto “Diseño y construcción de
dirigible a radio control para uso publicitario / Juan Jaime Martínez; asesor: Álvaro Pinilla”,
donde se construyó un dirigible con dicho material, presentando una permeabilidad mucho
menor a la del látex de un globo atmosférico.
El objetivo no es hacer un globo con un material menos permeable al helio, sino fabricar
un perfil o un dirigible que disminuya el arrastre considerablemente haciéndolo mucho
más estable en vientos de alta intensidad, esto por supuesto con un material como la
película de polipropileno metalizado.
Así mismo como se mencionó en el capítulo anterior, realizar una prueba en campo
abierto, con un perfil de viento mucho más limpio. Para ello se debe incorporar un GPS
dentro del sistema de transmisión, que informe latitud, longitud y altura del equipo, dado
que para subir 100m, se necesitan 270 m de cable aproximadamente, eso implica no
49
saber dónde está el globo. Dentro de lo que se realizó hasta aquí se hizo uso de un
microcontrolador 16f877a de 40pines, del cual se usaron sólo 4, dejando disponibles
suficientes, para poder acoplar un sistema GPS.
Es importante acoplar de una manera más estable los equipos al nuevo globo, de tal
forma que se disminuya el giro sobre su eje del mismo, debido al arrastre por el viento, y
mejorar la medición de la veleta.
Durante las pruebas del globo se hizo uso de cabuya para anclarlo a tierra, este material
es lo suficientemente resistente para la tensión que se puede generar a 100m de altura,
pero demasiado pesado para 270m de cable. En Bogotá se puede conseguir Nylon de
diferentes calibres que ofrecen hasta 150kg de esfuerzo de fluencia, y lo suficientemente
livianos para no afectar el volumen de helio requerido en el globo.
50
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
[1] BEDFORD, FOWLER; Estática, Mecánica para Ingeniería, 1994
[2] MARTÍNEZ, Juan Jaime: Diseño y construcción de dirigible a radio control para uso publicitario; asesor: Álvaro Pinilla, 2002, Universidad de los Andes.
[3] PINILLA, Álvaro: Notas de Curso Electivo de Energía Eólica, Bogotá Enero de 2009
[4] WHITE, Frank; Fluid Mechanics, 6, ed.
[5] Digi products [Documento www]. URL http://www.digi.com/products/wireless/zigbee-mesh/xbee-zb-module.jsp [6] Microcontrolador 16f877a Datasheet [Documento www]. URL http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/39582b.pdf [7] NRG Systems [Documento www]. URL http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/1901.aspx?pf=StandardSensors [8] NRG Systems [Documento www]. URL http://www.nrgsystems.com/sitecore/content/Products/1904.aspx?pf=StandardSensors [9]Supercomponentes, Componentes e Ingeniería Electrónica [Documento www]. URL
http://www.supercomponentes.com/shop/robotica/tarjeta-de-desarrollo-para-modulos- xbee-basicos-y-pro.html
[10] Supercomponentes, Componentes e Ingeniería Electrónica [Documento www]. URL
http://www.supercomponentes.com/shop/xbee-oem-enlace-inalambrico-2-4ghz-y- 115bps.html
51
ANEXO A
52
53
ANEXO B
54
55
ANEXO C
56
ANEXO D
INSTRUCCIONES DE OPERACIÓN
Instalación de X-CTU
Lo primero que se debe hacer es bajar el programa X-CTU desde digi.com. El cual es un software donde se pueden recibir datos por puerto serial a través de las antenas Xbee. No es el único programa que permite lo anterior, existen otros como ¨Comport¨, que se pueden usar para el mismo fin. X-CTU fue el que se usó para este proyecto dado que se baja gratuitamente, y a continuación se presentan las instrucciones para obtenerlo:
1. Ingresar a digi.com 2. En la casilla search escribir “X-CTU” 3. Dar click en “Click here to go to the X-CTU download page.” 4. Dar click en “Drivers” 5. Y continuación seleccionar según el sistema operativo que tenga entre:
•PKG-U USB Drivers for Linux •PKG-U USB Drivers for MacIntosh OS X •PKG-U USB Drivers for Windows 98 SE - XP
Y descargarlo
6. Una vez lo descargue, instalarlo por medio del archivo .exe con el que viene, y posteriormente conectar la tarjeta de desarrollo para módulos xbee USB que se muestra a continuación al computador.
7. Cuando lo conecte aparecerá automáticamente un aviso, preguntando dónde se encuentra el archivo que acabó de descargar, por lo cual deberá indicar el lugar donde se encuentra y seguir el proceso hasta que instale el controlador.
57
8. Una vez terminado dicho proceso ya está listo para recibir los datos que transmitan las antenas en su computador.
Operación Instrumento de medición de Velocidad y Dirección de Viento
1. Cargar la batería de 3.9V. Si no está seguro si se encuentra cargada, hacerlo y no verificar con multímetro, ya que las pilas recargables de este tipo siempre muestran su valor nominal aunque en ese momento no lo estén. Cuando están descargadas se observa siempre en el multímetro 3.9V, lo que no hay es flujo de corriente.
2. Establecer contacto de los cables con los terminales de la batería como se muestra a continuación: (En todo el proyecto tanto en el anemómetro como en la veleta y en la batería está establecido que el cable naranja es el positivo, el verde es tierra y el blanco es la señal o el negativo).
58
3. Conectar la batería, el anemómetro y la veleta al circuito impreso.
4. Y verificar que el botón ON-OFF NO esté en la siguiente posición ya que esa es la posición de apagado:
Con todo lo anterior es sólo ubicar los equipos en el globo y empezar a recibir los datos de velocidad y viento.
Conector Batería Conector Veleta Conector Anemómetro