MAESTRIA EN SISTEMAS DE INFORMACION

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INSTITUTO TECNOLGICO SUPERIOR DE PURSIMA DEL RINCN

ESTUDIOS CON RECONOCIMIENTO DE VALIDEZ OFICIAL

NMERO 11-00065

OPCIN I: TESIS

DISEO E IMPLEMENTACION DE UN SISTEMA CONTROLADOR DE POSICIN PARA PANELES FOTOVOLTAICOSQUE PARA OBTENER EL GRADO DE

INGENIERA ELECTROMECNICA

PRESENTAN:

CARLOS ALBERTO ZIGA CRDENAS

MARCO ANTONIO BARRERA GONZLEZ ASESOR: M.C. CSAR ALEJANDRO FRAUSTO DVILA PURSIMA DEL RINCN, GTO.

NOVIEMBRE 2015ResumenEn esta tesis se documenta el proceso de diseo e implementacin de un sistema de control, mediante Redes Neuronales Artificiales en un prototipo orientador de paneles voltaicos. Presentando resultado de observaciones en pruebas hechas con dos tipos de paneles fotovoltaicos, del tipo monocristalino y policristalino.

En el primer captulo, se presentan los argumentos que justifican el uso de recursos en la atencin de esta problemtica, y las limitaciones de la presente propuesta.El segundo captulo trata el fenmeno de energa solar, y en especial la energa solar fotovoltaica, con informacin sobre la radiacin que incide en Mxico, y tipos de paneles que captan la energa emanada del Sol. Adems se presentan clasificaciones referentes a sistemas seguidores solares, principalmente electromecnicos. Al final de este, se trata el tema de redes neuronales artificiales, sus fundamentos biolgicos, histricos, caractersticas y modelos. El proceso de aprendizaje supervisado es descrito en este documento y realizado con auxilio de software, describiendo paso a paso el entrenamiento a seguir para facilitar su implementacin en aplicaciones similares.Dicha informacin ayuda a relacionar y entender el entorno para el sistema de control y el diseo estructural implementado en este proyecto, el tercer captulo trata de esto, presenta funciones, componentes electromecnicos y caractersticas del seguidor solar. Adems se presentan los modelos Matlab desarrollados para adquisicin de datos y creacin de la red Perceptrn entrenada. Por ltimo se describe la implementacin de dicha red en Arduino. El sistema seguidor solar consiste de electrnica simple, pero empleando hardware y software se lleva a cabo un sistema de posicionamiento funcional para celdas fotovoltaicas.

En el captulo cuarto se presentan los resultados obtenidos, con graficas de mediciones realizadas durante periodos de prueba del sistema de control aplicado a paneles fotovoltaicos del tipo monocristalino y policristalino. Por ltimo se da la conclusin del proyecto y algunas observaciones surgidas de la experiencia durante el desarrollo del proyecto, adems de propuestas para trabajos futuros.Contenido

7Introduccin

8Captulo I Marco de Referencia

91.1 Antecedentes del problema

91.2 Planteamiento del problema

101.3 Objetivos de la investigacin

101.4 Formulacin de hiptesis

111.5 Justificacin

111.6 Alcances y limitaciones

13Captulo 2 Marco Terico

142.1 Energa solar

152.1.1 Evolucin de las fuentes de energa

162.1.2 Radiacin solar

162.1.2.1 Tipos de radiacin solar

182.1.2.2 La radiacin solar en Mxico

212.2 Energa solar fotovoltaica

212.2.1 Historia de la energa solar fotovoltaica

222.2.2 Desarrollo de energa renovable en Mxico

242.2.3 Panel fotovoltaico

242.2.3.1 Tipos de paneles fotovoltaicos

262.2.4 Sistema solar fotovoltaico

272.3 Seguidor solar

272.3.1 Inclinacin y orientacin

302.3.2 Clasificacin de los seguidores solares

302.3.2.1 Por el tipo de sistema fotovoltaico

302.3.2.2 Clasificacin por el dispositivo que realiza el movimiento

312.3.2.3 Por los grados de libertad

332.4 Sistema seguidor solar

332.4.1 Elementos de un seguidor solar

362.4.1.1 Elementos electromecnicos

462.4.1.2 Elemento de trasmisin mecnica

492.4.1.3 Soporte mecnico

502.4.2 Sistema de control

532.5 Redes neuronales artificiales

532.5.1 Fundamentos biolgicos de las redes neuronales naturales

552.5.2 Breve historia de las redes neuronales artificiales

562.5.3 Caractersticas de las RNAs

562.5.4 Neurona artificial

612.5.5 Estructura de la RNA

632.5.6 Modelos de RNAs

642.5.7 Entrenamiento de una RNA

642.5.7.1 Entrenamiento supervisado

652.5.8 RNA Perceptrn

662.5.8.1 Entrenamiento de una RNA tipo Perceptrn

682.5.9 RNA en Arduino y control de seguidor

692.6 Redes neuronales artificiales y su implementacin

692.6.1 Matlab

702.6.1.1 Creacin de un Perceptrn mediante la GUI nntool de Matlab

762.6.2 Arduino software

782.6.2.1 Estructura general del sketch

792.6.2.2 Herramientas del software

82Captulo 3 Componentes Estructurales

843.1 Diseo mecnico

843.1.1 Panel solar fotovoltaico

863.1.2 Actuadores elctricos

863.1.2.1 Motor de corriente continua

873.1.2.2 Transmisin Mecnica

883.1.3 Sensores LDR

893.1.4 Estructura del mecanismo

923.2 Entrenamiento del Perceptrn

943.2.1 Adquisicin de datos para el Perceptrn

953.2.2 Resultados del entrenamiento mediante la GUI nntool de Matlab (R2009a)

973.3 Implementacin del Perceptrn en Arduino UNO

983.4 Implementacin del sistema

101Captulo 4 MEDICIONES Y ANLISIS DE RESULTADOS

1034.1 Anlisis de los resultados

108Conclusiones

110Referencia bibliogrfica

115Anexo 1. Cdigo Perceptrn en Arduino UNO

ndice de figuras16Figura 1. Intensidad media de la radiacin solar sobre la superficie terrestre

18Figura 2. Irradiacin sobre paneles fotovoltaico

20Figura 3. Irradiacin solar presente en Mxico

22Figura 4. Indicadores mundiales en la dependencia de fuentes de energa

23Figura 5. Esquema para el desarrollo de proyectos de tecnologa solar fotovoltaica

25Figura 6. Panel solar compuesto por clulas de silicio monocristalino

25Figura 7. Panel solar formado por clulas de silicio policristalino

26Figura 8. Panel solar de silicio amorfo

26Figura 9. Sistema solar fotovoltaico aislado

28Figura 10. Orientacin e inclinacin de los mdulos fotovoltaicos

29Figura 11. Mecanismo del seguidor solar

31Figura 12. Seguidor solar de un solo eje horizontal

32Figura 13. Seguidor solar de dos ejes

34Figura 14. Elementos de la parte superior del seguidor TFP-ITL

35Figura 15. Vista de seccin de la zona de giro del seguidor solar

36Figura 16. Principio de funcionamiento de un motor de corriente continua

39Figura 17. Pines del microcontrolador en el Arduino UNO

40Figura 18. Componentes de un Arduino UNO

45Figura 19. Smbolo de una fotorresistencia LDR

46Figura 20. Smbolo de un relevador

47Figura 21. Representacin de engrane recto

48Figura 22. Representacin de engrane helicoidal

48Figura 23. Representacin de engranes cnicos

49Figura 24. Representacin de engranaje de tornillo

50Figura 25. Esquema simplificado de un sistema de control

51Figura 26. Diagrama de bloque del seguidor solar

54Figura 27. Elementos neuronales

57Figura 28. Modelo ms simple de una neurona realizada por McCullon y Pitts

59Figura 29. Funciones de activacin ms comnmente empleadas

61Figura 30. Funciones de salida ms empleadas

61Figura 31. Grafica dirigida de una RNA general

63Figura 32. Ejemplos de RNAs con diferente arquitectura de alimentacin

66Figura 33. Perceptrn de una sola capa

71Figura 34. Espacio de trabajo con los datos de entradas y salidas

71Figura 35. Ventana Network/Data Manager de la GUI nntool de Matlab

72Figura 36. Venta importar datos para una RNA

72Figura 37. Ventana Create Network or Data

73Figura 38. Ventana de configuracin de parmetros del Perceptrn

74Figura 39. Ventana de configuracin para el entrenamiento del Perceptrn

74Figura 40. Ventana de proceso para el entrenamiento de la RNA tipo Perceptrn

75Figura 41. Grfica de estado de formacin

75Figura 42. Datos de los pesos y umbrales necesarios para la RNA

76Figura 43. Ventana de simulacin de la RNA tipo Perceptrn

77Figura 44. Ventana del software Arduino

81Figura 45. Botones del Software Arduino 1.6.5

83Figura 46. Diagrama esquemtico del sistema empleado en esta tesis

84Figura 47. Imagen ilustrativa del panel solar monocristalino

85Figura 48. Imagen ilustrativa del panel solar policristalino

86Figura 49. Motores C.C empleado en esta tesis

87Figura 50. Engranes para la transmisin mecnica

87Figura 51. Engrane recto ANSI 32 dientes

88Figura 52. Posicin de las fotorresistencias en el prototipo seguidor solar

89Figura 53. Fotorresistencia LDR empleado en el seguidor solar

89Figura 54. Elementos del Seguidor solar empleado en esta tesis

90Figura 55. Dimensiones del seguidor solar

91Figura 56. Movimiento para inclinacin y orientacin

91Figura 57. Vista tridimensional del seguidor solar

92Figura 58. Circuito electrnico para control de giro de motores C.C

93Figura 59. Cdigo para lectura de los LDRs

93Figura 60. Circuito electrnico para lectura de LDR`s

96Figura 61. Valores del error medio cuadrtico presente en el Perceptrn durante su entrenamiento

97Figura 62. Estructura del Perceptrn implementado en esta tesis

97Figura 63. Circuito electromecnico de control para el seguidor solar

98Figura 64. Prototipo desarrollado con el sistema de control de RNA tipo Perceptrn

99Figura 65. Caja donde se integr el microcontrolador y los elementos utilizados

102Figura 66. Esquema de conexin para monitorear la generacin elctrica en los paneles

103Figura 67. Modelo Simulink para adquisicin de seales en los paneles

104Figura 68. Grfica del comportamiento en panel fotovoltaico policristalino en las dos condiciones de orientacin (Sol intenso noviembre 2015)

105Figura 69. Grafica del comportamiento sobre panel fotovoltaico monocristalino en dos condiciones diferentes (Sol intenso noviembre 2015)

106Figura 70. Condiciones de trabajo en panel fotovoltaico tipo policristalino soleado vs nublado posicionado estticamente (noviembre 2015)

107Figura 71. Captacin de energa en panel fotovoltaico policristalino en condiciones con nubosidad implementando el prototipo seguidor solar (noviembre 2015)

ndice de tablas

20Tabla 1. Irradiacin diaria promedio mensual para el municipio de Pursima

34Tabla 2. Elementos de la unin de giro

35Tabla 3. Elementos de la unin de giro

71Tabla 4. Tabla de verdad de compuerta XOR para el Perceptrn

77Tabla 5. Palabras reservadas del lenguaje C

85Tabla 6. Caractersticas del panel solar monocristalino

85Tabla 7. Caractersticas del panel solar policristalino

88Tabla 8. Especificaciones del engrane recto ANSI

90Tabla 9. Elementos del seguidor solar empleado en esta tesis

94Tabla 10. Datos de entradas y salidas para el Perceptrn

96Tabla 11. Parmetros topolgicos empleados en el Perceptrn

Introduccin

Durante los ltimos aos el agotamiento de las fuentes tradicionales de energa fsiles, el incremento de su costo y problemas medioambientales derivados de su explotacin, transporte y consumo, ha puesto a la mayora de los pases del mundo a buscar soluciones en energas alternativas. Por ejemplo, la energa radiada por el Sol que tiene un doble objetivo, contribuir a la disminucin de gases de efecto invernadero y economizar utilizando energas renovables.

Al carecer de un sistema que controle el posicionamiento de dispositivos que capten la energa solar, se reduce la cantidad de energa recolectada. Esto es importante para cuestiones de almacenamiento y consumo. Es til la implementacin de un dispositivo que lleve a cabo la funcin de posicionamiento para recolectar ms potencia de la radiacin solar.La incidencia de los rayos del Sol sobre los paneles difiere de la perpendicularidad a lo largo del da, y por lo tanto se ve reducida la eficiencia de captacin de los paneles fotovoltaicos. Es posible corregir esta situacin utilizando un seguidor solar que oriente los paneles a la posicin del Sol. Utilizando un seguidor solar se han reportado ganancias superiores al 25%, segn estudios de campo.El objetivo general de esta investigacin fue disear e implementar un servomecanismo que auto-orienta paneles fotovoltaicos, de forma que sigan la trayectoria del Sol y se coloquen de forma casi perpendicular a sus rayos.

Al utilizar sensores fotoelctricos, motores y otros componentes electromecnicos, se puede orientar de manera automtica el mecanismo base de un panel solar, de forma que se oriente, buscando captar de manera ms eficiente la energa Solar.En la presente tesis se realiza el diseo e implementacin de un sistema de control por medio de Redes Neuronales Artificiales, implementado en Arduino, controlando la posicin de paneles solares fotovoltaicos de manera correcta.

Considerando los problemas de deficiencia presentes en paneles estticos, se elige implementar un sistema seguidor solar con dos grados de libertad, que por medio de RNA en Arduino es capaz de generar la seal de control de posicin del panel.Captulo I Marco de Referencia

1.1 Antecedentes del problemaTC \l1 "1. Resumen ejecutivoHoy en da, el consumo elctrico es indispensable para las actividades domsticas e industriales. Algunos sistemas que lo generan contaminan el medio ambiente, es conveniente reemplazar su funcin por fuentes limpias, renovables y de bajo costo.La energa emitida por el Sol es una de las fuentes renovables que se utiliza en la actualidad. Los paneles fotovoltaicos son dispositivos que aprovechan la radiacin del Sol y a base de un proceso a nivel atmico generan electricidad.Al colocar un panel en posicin esttica se reduce el aprovechamiento mximo de energa solar disponible, ya que los rayos del Sol inciden en el mismo con un ngulo distinto durante el transcurso del da, esto es importante para cuestiones de almacenamiento y consumo.Algunas empresas comercializan productos que tienen una desventaja: Al vender el panel fotovoltaico con un mecanismo mvil se incrementan los gastos, y obligan al propietario a seleccionar un sistema esttico.La mayora de las personas que disponen de un sistema que utiliza paneles fotovoltaicos estticos se limitan a la energa que recolectan, no importando que sea menor al de un sistema con control de posicionamiento. 1.2 Planteamiento del problemaEn la actualidad hay un catlogo amplio de seguidores solares, de patente, comerciales y construidos por usuarios de manera rudimentaria, que cumplen la funcin bsica, aumentar la eficiencia de captacin, pero su costo es elevado por la tecnologa de actuadores, procesamiento, control y sensores, que se emplea. Por ello es importante disear un sistema de control que utilice tecnologa actual, diseo econmico, y adaptable a las necesidades del usuario.

1.3 Objetivos de la investigacin

A continuacin se plantean los objetivos de la investigacin. Objetivo general

Disear e implementar un servomecanismo que oriente paneles fotovoltaicos de forma que sigan la trayectoria del Sol, se coloquen perpendicular a sus rayos y aumente su eficiencia de captacin.Objetivos especficos

Disear un dispositivo electromecnico para orientacin respecto al movimiento relativo del Sol. Implementar un dispositivo electromecnico para orientacin respecto al movimiento relativo del Sol.

Disear un sistema de control para automatizar el dispositivo electromecnico construido. Implementar un sistema de control para automatizar el dispositivo electromecnico construido.

Medir el funcionamiento del seguidor solar comparando el nivel de generacin de energa.

1.4 Formulacin de hiptesis Es posible desarrollar un sistema que oriente de manera automtica paneles solares, a partir de sensores fotoelctricos, motores, y otros componentes electromecnicos y de software, de forma que transformen de manera ms eficiente la energa emitida por el Sol.1.5 Justificacin

Promover y mejorar el uso de paneles fotovoltaicos es importante para el cuidado del medio ambiente, como fuente limpia o verde que existe. Esto evita producir agentes contaminantes, que daan la atmosfera e incrementan el calentamiento global.

Los paneles fotovoltaicos son implementados en sistemas que requieran de energa elctrica, y depende del consumo elctrico la cantidad de celdas requeridas. Gracias a esta alternativa se prev para un futuro una disminucin en la dependencia de las fuentes tradicionales de energa obtenidas a partir de combustibles fsiles (petrleo, carbn y gas natural).

Para aumentar la eficiencia de captacin solar es importante implementar un servomecanismo que le oriente segn la posicin del Sol. Al desarrollar un sistema electromecnico con componentes y circuitos simples hace que el costo sea bajo a comparacin con el proporcionado por empresas comercializadoras, beneficiando as a las personas que los requieren.

Los sistemas orientadores automticos son una tecnologa poco utilizada en el campo de la energa solar, por lo cual el producto a desarrollar satisface una necesidad de mercado.

1.6 Alcances y limitaciones

Alcances El diseo de la estructura metlica se realiz considerando solo el acoplamiento de dos tipos de panel solar (monocristalino y policristalino), reportando el rendimiento de cada uno de forma esttico y con el sistema de posicionamiento desarrollado en esta tesis.

El mecanismo posiciona a las celdas fotovoltaicas de forma casi perpendicular a los rayos solares, suficiente para mostrar un aumento en la eficiencia de captacin, durante un da.

Para la implementacin del prototipo se eligen elementos y materiales reusados o reciclados, disminuyendo el costo de adquisicin. Es el caso de los motores CC y el sistema de transmisin. Para el sistema de control se utilizan redes neuronales y su implementacin en el hardware Arduino UNO.

Limitantes Se consideran paneles fotovoltaicos de baja capacidad de potencia (20 y 25 W). El diseo de la estructura carece de anlisis de esfuerzos y deformaciones. Los algoritmos de programacin a utilizar en la tarea de control son desarrollados a nivel software utilizando la herramienta redes neuronales de Matlab. El sistema de control no considera perturbaciones provocadas por variaciones atmosfricas o ruido del entorno.Captulo 2 Marco Terico 2.1 Energa solar TC \l1 "1. Resumen ejecutivoEl Sol es una estrella formada en su mayora por hidrgeno y una pequea porcin de helio. En esta se desarrolla una gran cantidad de energa, por las altas temperaturas y presiones que alcanza en su interior. Prcticamente toda la energa que llega a la tierra procede del Sol. Una pequesima parte de ella se utiliza para mantener la vida orgnica en la biosfera y el resto se disipa al exterior.

La energa solar es la energa proveniente del ncleo del Sol. Producto de una reaccin nuclear de fusin, este proceso libera enormes cantidades de energa, que viajan por el espacio a travs de miles de millones de aos.

La utilizacin prctica de la energa solar tiene un doble objetivo: contribuir a la reduccin de la emisin de gases del efecto invernadero y ahorrar en energa no renovables. Los equipos que se utilizan en el aprovechamiento de la energa solar se clasifican en dos categoras: sistemas fototrmicos y sistemas fotovoltaicos. Los sistemas foto-trmicos se encargan de transferir el calor radiado por el Sol a un fluido de trabajo. Y los fotovoltaicos aprovechan la radiacin solar para producir electricidad.Los sistemas fototrmicos se subdividen en diferentes grupos, que dependen de su forma de trabajar, temperatura de trabajo y fluido utilizado para transportar el calor captado, por los elementos del colector solar, etc. Tales como: Sistemas fototrmicos pasivos. Son aquellos que aprovechan la energa de la radiacin solar y no requiere de otro tipo de energa, o su consumo es totalmente despreciable. Sistemas fototrmicos activos. Similar al anterior pero requieren del aporte de energa auxiliar, por ejemplo la energa consumida por una bomba, ventiladores para mover o transportar el fluido desde el captador solar hasta el consumo.Los sistemas fotovoltaicos son aquellos que convierten la energa proveniente del Sol en energa elctrica mediante clulas fotoelctricas.2.1.1 Evolucin de las fuentes de energaLas Fuentes de energa son los recursos o medios naturales capaces de producir algn tipo de energa para realizar un determinado trabajo o utilidad. Por ejemplo el viento, el agua, el Sol, entre otros.Las fuentes de energa renovable han sido aprovechadas por el hombre desde hace mucho tiempo, bsicamente acompaadas de la energa animal, y su empleo continu durante toda la historia hasta la llegada de la Revolucin Industrial, en la que la aparicin del carbn desplazo a ests. Posteriormente, el petrleo fue desplazando en muchas aplicaciones al carbn, debido a su mayor limpieza y mayor poder calorfico. En la actualidad la energa mundial se basa en gran parte al consumo de las energas fsiles (carbn, petrleo y gas natural) y la nuclear. La utilizacin de estas formas de energa conduce a la emisin de gases de efecto invernadero, la generacin de residuos slidos y lquidos, y el agotamiento paulatino de los yacimientos existentes. Debido a esto, se produce un renacer de las energas renovables, por ejemplo la energa radiada por el Sol, que tiene un doble objetivo, contribuir a la disminucin de gases de efecto invernadero y ahorrar en energas renovables. Estas energas se consideran renovables al producirse de una forma continua y son o se consideran inagotables a escala humana, tienen la ventaja de complementarse entre s, favoreciendo la integracin entre ellas. Se consideran respetuosas con el medio ambiente, en algunas ocasiones ests producen efectos negativos en el entorno pero son menores que las producida por las energas convencionales.Durante los ltimos aos, el agotamiento de las fuentes de energa fsiles, el progresivo incremento de su costo y sus problemas medioambientales derivan dos problemas en su explotacin: transporte y consumo.

Figura 1. Intensidad media de la radiacin solar sobre la superficie terrestre2.1.2 Radiacin solarLa radiacin solar es el conjunto de radiaciones electromagnticas emitidos por el Sol. La energa radiante por unidad de tiempo que incide sobre una superficie en un momento determinado se le conoce como irradiacin. Sus unidades en el S.I. son W/m2. La radiacin en el Sol es de 63.450,720 W/m2Como se muestra en la Figura 1, a la superficie terrestre solo llega aproximadamente 1/3 de la energa total interceptada por la atmosfera, el 70% llega al mar, aun as, es miles de veces el consumo energtico mundial.2.1.2.1 Tipos de radiacin solarCuando la radiacin solar penetra en la atmsfera, tiene lugar un fenmeno de absorcin y dispersin, que depende de la masa, el espesor y la densidad de la capa de aire, y su composicin.En funcin a los rayos que inciden en la Tierra se distinguen cinco componentes de la radiacin solar: Radiacin directa: Es aquella que procede del Sol, pasa en lnea recta a travs de la atmsfera de la Tierra, pero no se disipa, se desva ni padece reflexiones o refracciones intermedias, llegando directamente a la superficie terrcola sin cambio alguno en su trayectoria lineal. Radiacin difusa: Es la radicacin que parte del Sol, pasa por la atmsfera, sufre cambios, por lo tanto se desvan los rayos solares de su direccin original, como consecuencia de los mltiples procesos de reflexin, refraccin, dispersin y absorcin, producidos por el choque directo de agentes atmosfricos tales como: nubes, partculas de polvo, molculas en el aire, montaas, rboles, edificios, el suelo y el resto de elementos atmosfricos terrestres. Por lo tanto la radiacin difusa no tiene ninguna direccin y va en todas direcciones.

Radiacin reflejada o albedo: Es la radiacin proveniente del Sol y es reflejada por el suelo, objetos, cuerpos u otras superficies situados alrededor. Esta radiacin procede de las dos anteriores, tampoco es claramente direccional.La influencia del albedo del entorno sobre la radiacin incidente en un captador de energa solar suele ser despreciable y solo en casos especiales suelen suponer una pequea ganancia adicional de energa, por ejemplo cuando existen paredes de color claro detrs de los captadores. Radiacin global: La radiacin global es la suma de la directa y la difusa. Radiacin total: Es la suma de todas las anteriores que se mencionaron.

Figura 2. Irradiacin sobre paneles fotovoltaico

Aunque las tres componentes (directa, difusa y albedo) estn presentes en la radiacin total que recibe la Tierra, la radiacin directa es la mayor y ms importante en las aplicaciones fotovoltaicas. En la Figura 2 se observan todos los tipos de radiacin que inciden en un panel solar fotovoltaicos.

Cuando la radiacin directa no incide sobre una superficie debido a un obstculo, el rea en sombra tambin recibe radiacin gracias a la radiacin difusa.As que la eficiencia de captacin de las celdas fotovoltaicas, se define como la relacin entre la potencia elctrica generada por unidad de rea (W/m2) y la irradiacin solar incidente. Esta relacin es adimensional y est dada en forma porcentual. 2.1.2.2 La radiacin solar en MxicoAntecedentes de estudios de radiacin solar en Mxico se remontan a los aos de 1911 a 1928, cuando el investigador de origen polaco Ladislaw Gorczynski realiz mediciones actinomtricas (proceso qumico que mide la intensidad de la radiacin) en el Observatorio Meteorolgico de Tacubaya y otros lugares del mundo para determinar las caractersticas de la radiacin solar a nivel de superficie con ayuda de un sensor desarrollado por l mismo (termopila de Gorcynsky). Entre los investigadores nacionales que iniciaron los trabajos de investigacin en este campo puede mencionarse al Ing. Jess Martnez G. y al Dr. Ignacio Galindo Estrada miembros del Instituto de Ciencia Aplicada, que ms tarde se incorporaran al Instituto de Geofsica de la UNAM.En 1956 comienzan a efectuarse mediciones de radiacin solar en el Instituto de Ciencia Aplicada, apoyados por la UNESCO con donaciones de equipo de diversos pases participantes del Ao Geofsico Internacional, y recursos del propio Instituto; se realizan mediciones de: duracin de la insolacin, radiacin global, radiacin difusa y radiacin directa. Estas observaciones reciben validacin internacional gracias a la adquisicin de un pirheliomtro patrn (Pirhelimetro de Compensacin de Angstrm, No. 166, del Servicio Meteorolgico sueco) y de un pirhelimetro estndar, de disco de plata, Abbot No. 13. Esto permiti que el Observatorio de Radiacin Solar de Ciudad Universitaria pudiera ser considerado oficialmente dentro de los puntos de observacin de la Red Actinomtrica Mundial. As mismo, con la adquisicin del Espectofotmetro Dobson No. 98, comienza la participacin del pas en la Red Ozonomtrica Mundial.Ante estas investigaciones que realiza el instituto de geofsica de la UNAM, es importante conocer la irradiacin que se presenta en diferentes puntos del pas.

En la Figura 3 se presenta la irradiacin solar presente del pas de Mxico (los datos estn dado en Joule, 1 Joule = 1 Watts por segundo). Como lo muestra dicha figura, la regin del rincn, lugar donde se lleva a cabo este proyecto, presenta un promedio de irradiacin solar de entre 16 y 17 MJ/m2. Siendo esta una de las zonas ms privilegiadas, y cuyas condiciones atmosfricas le hacen, apto para el desarrollo de proyectos de este tipo. En la actualidad se tienen planes de construccin para un parque de generacin fotovoltaico a gran escala en Silao, municipio cercano al instituto.

Figura 3. Irradiacin solar presente en MxicoEn la Tabla 1 se muestran los valores de la irradiacin promedio mensual del municipio de Pursima de Bustos, en esta ocasin en kW/(m2*da), proporcionada por el Sistema de Informacin Energtica de Guanajuato (SIEG).

Irradiacin Directa Horizontal Diaria Promedio Mensual Para El Municipio De Pursima De Bustos Guanajuato.

CabeceraIrradiacin Extraterrestre, kWh/(m2-da)

EneFebMarAbrMayJunJulAgoSepOctNovDic

Pursima del Rincn3,6974,2975,0285,3755,4495,3485,3075,1524,9184,2253,6653,639

Tabla 1. Irradiacin diaria promedio mensual para el municipio de Pursima2.2 Energa solar fotovoltaicaLa energa solar fotovoltaica se define como un tipo de energa renovable, por lo cual es casi inagotable, esta se aprovecha en el mismo lugar donde se produce. Es obtenida directamente de la radiacin del Sol que mediante semiconductores contenidos dentro del panel fotovoltaico transforma la forma de energa.2.2.1 Historia de la energa solar fotovoltaicaEl efecto fotovoltaico fue estudiado por primera vez en 1839 por el fsico francs Alexadre Edmond Becquerel, sus estudios sobre el espectro solar fueron el pilar cientfico de la energa fotovoltaica. En 1883 el inventor norteamericano Charles Fritts logra construir una celda solar con una eficiencia del 1 %, esta fue construida utilizando selenio y una capa delgada de oro como semiconductor.

La celda de silicio que hoy en da se utiliza proviene del inventor norteamericano Russell Ohl, fue construida en 1940 y patentada en 1946. La poca moderna del silicio llego en 1954 en los laboratorios de Bell, cuando se realizaron experimentos con semiconductores se encontr que el silicio con algunas impurezas era ms sensible a la luz.La primera aplicacin de paneles fotovoltaicos fue dirigida al sector aeroespacial, el primer satlite que empleo estos sistemas fue el Explorer 1, lanzado en febrero de 1958. Para entonces la eficiencia de los paneles ya haba aumentado su porcentaje de eficiencia al 6%, esto estmulo la investigacin procurando obtener paneles ms eficientes, esto propicio el crecimiento de dicha industria tecnolgica.

Con las celdas de silicio la industria fotovoltaica inicia el desarrollo de tecnologas en su produccin. El primer paso fue buscar paneles con mayor eficiencia, esto se logr en 1970, la primera clula solar con heteroestructura de arseniuro de galio (GaAs) y altamente eficiente se desarroll en la Unin Sovitica por Zhore Alferov.

2.2.2 Desarrollo de energa renovable en MxicoMxico es el pas latinoamericano con mejores condiciones para la aplicacin de sistemas fotovoltaicos.

En lugares pblicos como el propio Instituto, Museo Explora de la ciudad de Len, y otros, se hace uso de seguidores solares tanto fijos, como regulables con uno y dos ejes, que pueden generar 20,000 kW/h al ao, utilizados principalmente en labores de iluminacin; de esta manera, mediante este tipo de aplicaciones se divulga y promueve el uso de energas renovables entre las nuevas generaciones.

Pero el desarrollo de la generacin renovable responde a los 3 grandes retos energticos a nivel mundial, bajo los indicadores mostrados en la Figura 4.

Figura 4. Indicadores mundiales en la dependencia de fuentes de energa

En el ao 2008 se public una ley para el aprovechamiento de energas renovables y el financiamiento de la transicin energtica (LAERFTE), pero an no cuenta con un marco jurdico secundario que la regule en particular.8 No obstante, son varios los esquemas que pueden ser usados para el desarrollo de proyectos con la tecnologa solar fotovoltaica, tal y como se presenta en la Figura 5.Derivado de diversas disposiciones establecidas en el plan nacional de desarrollo 2007-2012, en la ley para el aprovechamiento de energas renovables y el financiamiento de la transicin energtica, su reglamento, as como en el programa especial de cambio climtico 2008-2012; ahora es posible instalar en domicilios o negocios sistemas de cogeneracin en pequea mediana escala mediante un contrato de interconexin con la Comisin Federal de Electricidad (CFE).

Para la interconexin en pequea escala con la CFE, se debe tener un contrato de suministro normal en baja tensin, las instalaciones tienen que cumplir con las Normas Oficiales Mexicanas y con las especificaciones de dicha comisin, adems de que la potencia de la fuente no sea mayor de 10 kW para domicilio o de 30 kW para negocios.Cuando el proyecto de instalacin de energa solar fotovoltaica supere la potencia de 500 kW, entonces se debe tener un permiso proporcionado por la CFE de generacin e importacin de energa elctrica.

Figura 5. Esquema para el desarrollo de proyectos de tecnologa solar fotovoltaica2.2.3 Panel fotovoltaicoUn panel fotovoltaico es un conjunto de clulas fotoelctricas que generan energa elctrica, producida por materiales que al exponerse a la luz del Sol ceden energa elctrica. A la transformacin de la energa luminosa directamente en energa elctrica se le conoce como efecto fotovoltaico, y como se mencion anteriormente dicho fenmeno fue descubierto por el fsico francs Edmond Becquerel, y sobre el cual est basada la tecnologa fotovoltaica.

El proceso del efecto fotoelctrico o fotovoltaico se consigue con materiales que tienen la propiedad de absorber fotones y emitir electrones. Cuando algunos electrones son libres, se produce una corriente elctrica que puede ser utilizado como fuente elctrica. Las celdas fotovoltaicas generalmente estn hechas a base de silicn, el mismo material que se utiliza para transistores y circuitos integrados. El silicn es tratado para que cuando le llegue la luz, se liberen los electrones, generando as una corriente elctrica.La cantidad de energa generada por una celda solar es determinada por la cantidad de luz que incide directamente sobre ella, lo cual est determinado por el clima y la hora del da.

2.2.3.1 Tipos de paneles fotovoltaicosExisten tres tipos de paneles fotovoltaicos, los cuales son:,

Monocristalinos

Estn formados por barras de silicio cristalizado, cuya red cristalina es idntica en todo el cristal y caracterizada por la solidificacin de los tomos del silicio en tres direcciones espaciales, perpendiculares entre s, y sin imperfecciones entre s. Se ha demostrado en pruebas de laboratorio que su rendimiento es por encima de 24,7%.

Figura 6. Panel solar compuesto por clulas de silicio monocristalinoEn la Figura 6 se observa un ejemplo para panel solar monocristalino, asequible en el mercado, y utilizado en este proyecto.

Policristalinos

Los materiales utilizados en su construccin, son semejantes a los monocristalinos, sin embargo el proceso de cristalizacin del silicio es diferente, este tipo de panel es de bajo costo, alcanzan rendimientos inferiores al 14%.En la Figura 7 se muestra la imagen de un panel solar policristalino, asequible en el mercado y utilizado en este proyecto.

Figura 7. Panel solar formado por clulas de silicio policristalino

Figura 8. Panel solar de silicio amorfoAmorfos

Este panel tambin es elaborado de silicio, su forma no es muy parecida a los ya mencionados. Son empleados en pequeos dispositivos electrnicos como lo son calculadoras, relojes y en pequeos paneles porttiles, su rendimiento mximo regularmente es de 13% y los de uso comercial normalmente solo alcanzan un 8%. En la Figura 8 se ilustra un panel solar amorfo.

2.2.4 Sistema solar fotovoltaicoUn sistema fotovoltaico es un conjunto de elementos conectados entre s, suministra energa elctrica a partir de la transformacin directa de la energa solar.El Sistema solar fotovoltaico requiere de cuatro elementos principales: paneles fotovoltaicos, regulador, inversor y bateras. En la Figura 9 se muestra un diagrama de un tpico sistema solar fotovoltaico del tipo aislado.

Figura 9. Sistema solar fotovoltaico aislado

Los sistemas solares fotovoltaicos, en comparacin con otras fuentes de energa alterna, se caracterizan por su simplicidad, fcil instalacin, ausencia de ruido durante su funcionamiento, larga duracin y requieren poco mantenimiento.La energa solar aprovechada depende de mltiples factores, algunos de ellos pueden ser controlados en el diseo e instalacin (orientacin, inclinacin, ubicacin de los paneles fotovoltaicos) y otros se escapan a toda posibilidad de control, ya que son consecuencias de la localizacin geogrfica de la instalacin y de los parmetros meteorolgicos del lugar. 2.3 Seguidor solarUn seguidor solar es un sistema electromecnico capaz de orientar los paneles fotovoltaicos de forma que permanezcan perpendicular a los rayos del Sol.

Un sistema electromecnico es el conjunto de componentes elctricos, mecnicos y electrnicos que desempean una funcin.2.3.1 Inclinacin y orientacin

Cuando no se cuenta con un sistema de seguimiento, una estructura esttica puede resultar insuficiente para algunas aplicaciones. En este caso la energa que se colecta no es la mxima posible, pero resulta aceptable si se da al colector una determinada orientacin. Al variar los ajustes mediante sensores y circuitos de control se puede aumentar la eficiencia de recoleccin de energa.En los ltimos aos, en las instalaciones fotovoltaicas de pequea escala, se han utilizado paneles estticos orientados e inclinados de acuerdo a la ubicacin geogrfica. En Mxico existen instalaciones de este tipo, pero al carecer de un mecanismo de movimiento provoca deficiencia en la recoleccin de energa.Los mdulos fotovoltaicos se montan de forma que aprovechen al mximo la radiacin solar, por lo que se orientan hacia al sur geogrfico (si nos encontramos en el hemisferio norte) y con una inclinacin 10 superior a la latitud del lugar.

Figura 10. Orientacin e inclinacin de los mdulos fotovoltaicos

Pursima del Rincn, Guanajuato se encuentra en los 20 de latitud norte. Entonces se recomiendan lo siguiente:

Desviaciones mximas de 20 respecto al sur geogrfico, para la orientacin.

Desviaciones mximas de 10 respecto de la latitud, para la inclinacin. Dichas recomendaciones, respecto a la Figura 10.

Se tiene que procurar que la radiacin solar incida perpendicularmente sobre la superficie del mdulo al medioda.Pero adems, la inclinacin depende del uso previsto de la instalacin, as pueden darse diferentes casos:

20 mayor que la latitud para utilizacin principalmente en invierno.

10 mayor que la latitud para utilizacin uniforme a lo largo de todo el ao (electrificacin de vivienda, bombas de agua, TV, etc.). 10 menores que la latitud para utilizaciones principalmente en primavera y verano.Inclinacin

TC \l3 "5.1.1. Importancia de los sistemas de informacinLa radiacin solar que incide sobre un panel variara con el ngulo en que los rayos solares hagan contacto con la superficie del panel, la captacin de energa ser mxima cuando la superficie del panel sea perpendicular a la radiacin.La inclinacin de los rayos del Sol respecto a la superficie horizontal es variable a lo largo del ao (mxima en verano y mnima en invierno) y por tanto, en aquellas instalaciones cuyos paneles estn fijos, existe un ngulo de inclinacin que optimizar la coleccin de energa sobre una base anual. Es decir, conviene buscar el ngulo de inclinacin de los paneles respecto al plano horizontal que hace mxima la potencia media anual recibida. En la mayora de los casos este ngulo coincide con la latitud del lugar de la instalacin. Otra forma que se puede utilizar el mecanismo para que se oriente segn la posicin del Sol es por medio de un sistema de control electrnico, esta diferencia es traducida a movimientos de los motores que regulan la posicin de inclinacin (giro en direccin Este - Oeste) y acimut (giro en direccin Norte - Sur) del seguidor solar, como se observa en la Figura 11. Cuando la intensidad solar captada por sensores sea prcticamente igual, los motores se detienen y el seguidor solar queda posicionado de forma que el Sol incidir perpendicularmente sobre ellos.Orientacin

Generalmente la orientacin para los paneles estticos es al sur, debido a la trayectoria del Sol, y con un servomecanismo el movimiento es de Norte a Sur.

Figura 11. Mecanismo del seguidor solar2.3.2 Clasificacin de los seguidores solaresExisten varias clasificaciones de los seguidores solares, as como las aplicaciones de los mismos. ,

2.3.2.1 Por el tipo de sistema fotovoltaicoSegn el tipo de sistema fotovoltaico encargado de la produccin de energa, los seguidores se dividen en:

Seguidores de sistemas fotovoltaicos concentrados. Son aquellos que requieren que la luz incida directamente y est concentrada en un punto especfico, deben estar orientados con mucha precisin, arrojando grandes prdidas en caso contrario. Los seguidores de este tipo orientan un sistema espejo o conjunto de espejos para que la luz recibida sea enfocada en un colector fotovoltaico. La precisin requerida en estos casos va desde un mximo de 2 hasta un mnimo de 0.1 para entregar el 90% de la potencia nominal de salida.Seguidores de sistemas fotovoltaicos no concentrados. En este caso los paneles fotovoltaicos aceptan tanto la luz directa como la difusa, de manera que no requieren gran precisin para entregar una potencia aceptable. Adems de las prdidas por la mala orientacin del panel existen aquellas que son por suciedad, temperatura, viento (debido al enfriamiento), conexin de diferentes paneles, espectro solar, cadas hmicas del cableado, rendimiento propio del panel, de la batera, inversor, etc.2.3.2.2 Clasificacin por el dispositivo que realiza el movimientoSegn el dispositivo que proporciona el movimiento existen dos tipos bsicos de seguidores:Seguidor activo: es aquel que utiliza motores elctricos, brazos electromecnicos con engranajes o tornillos sin fin, los cuales son controlados por un circuito electrnico.

Este tipo de seguidor debe estar energizado ya sea por una fuente externa al sistema o por el mismo, convirtiendo al seguidor en autnomo.

Seguidor pasivo. Es aquel que usa un gas comprimido de bajo punto de ebullicin, conducido hacia un lado o hacia otro, segn sea calentado por la luz solar, incrementando la presin en el gas, provocando que el seguidor se mueva en respuesta a ese desbalance. Este sistema es impreciso y por lo tanto no se puede utilizar para sistemas concentrados, pero s en sistemas fotovoltaicos no concentrados. 2.3.2.3 Por los grados de libertad

Por los grados de libertad de los seguidores estos se clasifican en:Seguidores de un Solo Eje.Estos slo tienen un grado de libertad, se mueven en un solo eje de rotacin como se observar en la Figura 12.

Figura 12. Seguidor solar de un solo eje horizontal

Hay varios tipos de seguidores de un solo eje: Un solo eje horizontal. Este tipo de seguidor tiene el eje horizontal respecto al suelo. En este caso, el eje horizontal est orientado Norte-Sur, y a lo largo del da los paneles horizontales girarn sobre este eje, siguiendo el movimiento aparente del Sol. Este tipo de seguidor es aceptable en latitudes cercanas al ecuador.

Un solo eje vertical. En este caso el eje est vertical respecto al suelo. En latitudes lejanas al ecuador son recomendables este tipo de seguidores. Los paneles suelen estar orientados con un ngulo respecto al eje de rotacin, y cuando giran forman un cono alrededor del eje.

Un solo eje inclinado. Los seguidores de un solo eje que no sea ni vertical ni horizontal, es un seguidor de eje inclinado. Los paneles estn inclinados con la misma inclinacin del eje, y cuando giran forman un cilindro alrededor de este eje. Seguidores de dos ejes.

Estos tienen dos grados de libertad, es decir dos ejes de rotacin. Estos ejes estn perpendiculares el uno del otro, el eje primario es el que est fijo respecto a la tierra, como se ve en la Figura 13.

Figura 13. Seguidor solar de dos ejesHay varios tipos de seguidores de dos ejes:

Seguidor de dos ejes de inclinacin. Este tipo de seguidores tienen su eje primario horizontal respecto a la tierra, el eje secundario es perpendicular al primario. Los ejes de rotacin del seguidor estn tpicamente alineados con el Norte magntico o con algn paralelo Este-Oeste. Uno de los ejes ayuda a orientar al panel en su posicin Norte-Sur y el otro en la posicin Este-Oeste. Seguidor de Acimut-Altitud. Este tipo de seguidor tiene su eje primario vertical respecto al suelo, el eje secundario es perpendicular al primario.

Este tipo de seguidor de dos ejes es el mayor implementado debido a su sencillez en la estructura, adems que no requiere estar a gran altura sobre el suelo; esto es importante en el caso de tratarse de grandes instalaciones. El seguidor ubica a los paneles frente al Sol girando alrededor de su eje vertical a un ngulo conocido como Acimut, e inclinando los paneles a la altitud que se encuentra el Sol. 2.4 Sistema seguidor solar Un sistema seguidor solar es el conjunto de elementos acoplados entre s para realizar los movimientos de orientacin e inclinacin.

El seguidor solar de esta investigacin incluye componentes electromecnicos y sistema de control de automatizacin inteligente (redes neuronales, implementadas en Arduino).2.4.1 Elementos de un seguidor solar

Un seguidor solar puede estar compuesto por varios elementos mecnicos y elctricos. Se toma como referencia el diseo de un seguidor solar de dos ejes denominado TFP-ITL (Tracker Fotovoltaico de Posgrado del Instituto Tecnolgico de la Laguna). Tiene caractersticas especficas para un rango de paneles fotovoltaicos que van desde un panel de 420x420x25 mm de 2.5 kg de peso hasta panel de 1640x992x35 mm de 18.5 kg de peso. As cualquier panel solar que aspire dentro de estos rangos ser aceptable y el seguidor solar se ajustara a las necesidades de los paneles.

En la Figura 14 se muestran los elementos que conforman el seguidor solar TFP-ITL, y En la Tabla 2 se representan los elementos de la misma, que es de gran ayuda para el diseo. Adaptando los materiales disponibles.

Figura 14. Elementos de la parte superior del seguidor TFP-ITLNmeroElemento de la parte superior

1Unin de giro

2Horquilla de soporte

3Soporte de motor superior

4Motor

5Engrane de motor

6Engrane de giro polar

7Soportes de panel

8Gua de ajuste de tamao

9Base del seguidor

10Panel solar fotovoltaico

Tabla 2. Elementos de la unin de giro

Figura 15. Vista de seccin de la zona de giro del seguidor solarNmeroElemento de la unin de giro

1Motor

2Engrane del Motor

3Engrane del Seguidor

4Tubo de soporte de acero galvanizado

5Soporte del motor

6Rodamiento SKF

7Vstago de unin

8Horquilla de soporte del panel

9Base del seguidor

Tabla 3. Elementos de la unin de giro

En la Figura 15 se muestra una vista de seccin a detalle del punto de giro o unin de giro. Y en la tabla 3 los nombres de los elementos.Esta parte ayuda a dar una idea clara para el diseo a proponer con los materiales disponibles. A continuacin se da una breve explicacin de los componentes electromecnicos del seguidor solar, elementos de transmisin mecnica (engranes) y soportes, para el posicionamiento.

2.4.1.1 Elementos electromecnicosLos elementos electromecnicos son el conjunto de partes elctricas, electrnicas y mecnicas encargados de hacer una funcin, como se mencion anteriormente. Algunos ejemplos de estos son motores elctricos, microcontroladores, relevadores, etc., que al combinarlos realizan una determinada tarea.Motores de corriente continua (CC).El motor de corriente continua es una mquina que convierte energa elctrica en movimiento o trabajo mecnico, a travs de fenmenos electromagnticos. Este tipo de motor es llamado as por el tipo de corriente que utiliza para su alimentacin.

El primer periodo de desarrollo de la mquina de corriente continua, que abarca el tiempo desde 1831 hasta 1851, est enlazado ininterrumpidamente con los nombres de los cientficos rusos E. J. Lenz y B. S. Jacobi, gracias a ellos y al desarrollo tecnolgico este tipo de motor ha ido evolucionando.10Un motor de corriente continua produce torque gracias a la conmutacin mecnica de la corriente. En la Figura 16 se presenta un esquema del motor, donde el campo magntico permanente es producido por imanes en el estator, el flujo de corriente en el devanado del rotor produce una fuerza sobre el devanado. Debido a que en este caso el motor tiene dos polos, la conmutacin se hace por medio de un anillo partido a la mitad, donde el flujo de corriente se invierte cada media vuelta (180 grados).

Figura 16. Principio de funcionamiento de un motor de corriente continua

En los motores de corriente continua se encuentran las siguientes clasificaciones:

De excitacin independiente. Son aquellos que obtienen la alimentacin del rotor y del estator de dos fuentes de tensin independientes. Con ello, el campo del estator es constante al no depender de la carga del motor, y el par de fuerza es prcticamente constante. Las variaciones de velocidad al aumentar la carga se debern slo a la disminucin de la fuerza electromotriz por aumentar la cada de tensin en el rotor. De excitacin en serie. En este tipo de motor el devanado de campo (campo magntico principal) se conecta en serie con la armadura. Este devanado de campo est hecho con un alambre de calibre grueso porque tendr que soportar la corriente total de la armadura. Debido a esto se produce un flujo magntico proporcional a la corriente de armadura. Cuando el motor tiene mucha carga, el campo de serie produce un campo magntico mucho mayor, lo cual realiza un esfuerzo de torsin mayor. Sin embargo, la velocidad de giro vara dependiendo del tipo de carga que se tenga. Estos motores desarrollan un par de arranque muy elevado y pueden acelerar cargas pesadas rpidamente.De excitacin (shunt) o derivacin. Este tipo de motor el bobinado inductor principal est conectado en paralelo (derivacin) con el circuito formado por los bobinados inducidos e inductor auxiliar.De excitacin compuesta (compund). Es un Motor elctrico de corriente continua cuya excitacin es originada por dos bobinados inductores independientes; uno dispuesto en serie con el bobinado inducido y otro conectado en paralelo con el circuito formado por los bobinados.

MicrocontroladorEl microcontrolador es un circuito integrado digital que contiene casi todos los elementos de un procesador (componente electrnico donde se realizan los procesos lgicos). Se le denomina tambin microcomputador integrado y est especialmente orientado a tareas de control y comunicaciones.

Los circuitos integrados son redes elctricas formadas dentro de l y suelen hacerse de un material semiconductor o aislante. Entonces se puede definir el circuito integrado como una combinacin de elementos de circuitos interconectados asociados inseparablemente dentro de l.

Un elemento de un circuito integrado es una parte constituyente del mismo que contribuye directamente a su funcionamiento. Como ejemplos de elementos se tienen los diodos, transistores, resistencias y condensadores. Existen diferentes microntroladores que ofrecen funcionalidades similares, cada uno con velocidades de procesamiento diferente, algunos poseen especializados convertidores anlogos digitales, contadores, temporizadores y un sistema para permitir la comunicacin en serie y en paralelo. Para esta aplicacin se selecciona un microcontrolador en particular: Arduino UNO, por su bajo costo, multiplataforma (al funcionar en sistemas operativos como Windows, Macintosh OSX y Linux), entorno de programacin simple, directo, ampliable, adems de su cdigo abierto, la licencia es libre y utiliza el lenguaje de programacin C.El Arduino es un microcontrolador ensamblado en una pequea placa, con un puerto USB para conectarlo a la computadora, y diversos zcalos de conexin que se puede conectar mediante cableado o todo tipo de componentes electrnicos externos, como motores, rels, sensores de luz, diodos lser, altavoces, micrfonos, etc. Se puede alimentar mdiate la conexin USB del ordenador o con una fuente de 9 V. La placa se puede controlar directamente desde la computadora, o programarla con esta, o desconectarla para trabajar de forma automtica.

El elemento principal de Arduino es el microcontrolador. El resto de la placa se ocupa de facilitar la alimentacin y permitir que se comunique con la computadora a la que est conectado. El lenguaje que se utiliza para la programacin de este microcontrolador es estndar como Python, C, Java, Php, etc.Las ventajas de Arduino son las siguientes:

Es libre y extensible: esto quiere decir que cualquiera puede mejorar y ampliar la capacidad del Arduino sin problema. Esto permite que exista un rico ecosistema de extensiones, tanto de variantes de placas no oficiales como de libreras y software de terceros, que pueden adaptarse mejor a necesidades concretas.

El entorno de programacin es multiplataforma: se puede instalar y ejecutar en sistemas Windows, Mac OS X y Linux. Esto no ocurre con el software de muchas otras placas de microcontroladores. Su entorno y el lenguaje de programacin son simples. Las placas Arduino son reutilizables y verstiles: ya que es muy fcil desconectarla, reconectarla y reprogramarla para varios proyectos, es verstil porque la placa Arduino prob varios tipos diferentes de entradas y salidas de datos, los cuales permite captar la seal de varios sensores y enviar seales a actuadores de mltiples formas.

En el mercado existe una variedad de placas Arduinos, uno de ellos y el ms comercial y usado es el Arduino UNO.

El microcontrolador que lleva la placa Arduino UNO es el modelo ATmega328P de la marca Atmel. La P del final significa que este chip incorpora la tecnologa Picopower (propietaria de Atmel), la cual permite un consumo elctrico sensiblemente menor comparndolo con el modelo equivalente sin Picopower. De todas formas, aunque el ATmega328P pueda trabajar a un voltaje menor y consumir menos corriente que el Atmega328 (especialmente en los modos de hibernacin), ambos modelos son funcionalmente idnticos. En la Figura 17 se muestran las partes que componen el microcontrolador ATmega238P de Arduino UNO.

Figura 17. Pines del microcontrolador en el Arduino UNO

En la Figura 17 se observa qu el pin 7 es el que recibe la alimentacin elctrica, los pines 8 y 22 estn conectados a tierra, los pies de entrada y salida (sealados como PBx, PCx o PDx) y la existencia de otros pines ms especficos como el AVCC (donde se recibe la alimentacin suplementaria para el convertidor analgico-digital interno del chip) o el AREF (donde se recibe la referencia analgica para dicho convertidor).La memoria del microncontrolador Arduino UNO tienen las siguientes caractersticas.

Memoria flash: es la memoria permanente donde se aloja el programa del microcontrolador. Su capacidad es de 32KB.

Memoria SRAM: memoria voltil de capacidad de 2 KB, donde se alojan los datos que en ese instante el programa necesita crear o manipular para su correcto funcionamiento. Memoria EEPROM: memoria persistente donde se almacenan datos que se desea que permanezcan grabados una vez apagado el microcontrolador. En el caso del ATmega328P tiene una capacidad de 1 KBEn la Figura 18 se muestra una placa Arduino UNO, con la ubicacin de los componentes importantes.

Figura 18. Componentes de un Arduino UNOEl voltaje de funcionamiento para Arduino es de 5V, esta alimentacin se puede obtener de diferentes maneras por medio de un cable USB o de una fuente externa.

Para la conexin con una fuente externa, la placa Arduino cuenta con una entrada de 2.1 mm. En teora puede recibir una alimentacin de 6 a 20 voltios, pero se recomienda conectarlo en menos de 12 voltios. En cualquier caso, el voltaje de entrada ofrecido por la fuente externa siempre es rebajado a 5 V de trabajo mediante un circuito regulador de tensin que viene incorporado dentro de la placa.El voltaje de salida de la placa Arduino Uno ofrece de 9 a 12 V en DC.

La intensidad de corriente ofrecida es de 250 mA (o ms). Si se conecta a la placa Arduino muchos componentes o pocos pero consumidores de mucha energa (como por ejemplo una matriz de LEDs, una tarjeta SD o un motor) el adaptador debera suministrar al menos 500 mA o incluso 1 A. De esta manera se asegura de que cuente con suficiente corriente para que cada componente pueda funcionar de forma fiable.En la placa existe una serie de pines relacionados con la alimentacin elctrica, como son: GND: tiene dos pines hembra conectados a tierra. Es importante que todos los componentes del circuito compartan una tierra comn como referencia.

Vin: Este pin hembra se utiliza como una fuente externa ya sea que est conectado a la clavija de 2,1 mm o mediante el cable USB, el voltaje y corriente que genera es proporcional a la que entra.

5V: este pin proporciona una fuente de alimentacin de 5 voltios a partir del recibido a travs del cable USB o de la clavija de 2,1 mm, y la corriente mxima generada es de 40mA.

3,3V: este pin hembra ofrece un voltaje de 3,3V, este voltaje se obtiene a travs del cable USB o de la clavija de 2,1 mm y se encuentra regulado con un error de 1% por un circuito especifico incorporado. La corriente mxima que suministra es de 50mA.

La placa Arduino dispone de 14 entradas o salidas pines hembra numeradas del 0 hasta 13. Todos estos pines hembras funcionan con 5V. Pueden proveer o recibir un mximo de 40mA y disponen de una resistencia interna de entre 20 K y 50 K que inicialmente est desconectada.Las entradas analgicas disponen de 6 entradas (en forma de pines hembra etiquetados como A0, A1... hasta A5) que pueden recibir voltajes dentro de un rango de valores continuos de entre 0 y 5 V. No obstante, la electrnica de la placa tan solo puede trabajar con valores digitales, por lo que es necesaria una conversin previa del valor analgico recibido a un valor digital lo ms aproximado posible. Esta se realiza mediante un circuito conversor analgico/digital incorporado en la propia placa.

En general, la cantidad de bits de resolucin que tiene un determinado conversor analgico/digital es lo que marca en gran medida el grado de precisin conseguida en la conversin de seal analgica a digital, ya que cuantos ms bits de resolucin tenga, ms precisa ser la transformacin. Existen otros pines hembras que adems de ser utilizadas como entradas/salidas tienen otras funciones especializadas. Pin 0 (RX) y pin 1 (TX): estos pines permiten que el microcontrolador pueda recibir datos en serie por el pin RX o transmitirlos por el pin TX sin pasar por la conversin USB, es decir, estos pines facilitan la comunicacin sin intermediarios de dispositivos externos receptor/transmisor.

Pines 2 y 3:se pueden utilizar con la ayudad del software para gestionar interrupciones.

Pin 13 est conectado a un LED el cual indica el voltaje de entrada a la placa si el voltaje es muy elevado o alto el LED se encender pero si el valor de entrada es bajo el LED se apagara es una forma muy sencilla de saber el valor del voltaje sin contar con algn equipo externo este LED incrustado en la placa se identifica con la etiqueta L.

Pin AREF ofrece un voltaje de referencia externo para aumentar la precisin de las entradas analgicas.

Pin RESET este pin permite reiniciar si el valor de voltaje es muy bajo. Para realizar esta funcin la misma placa Arduino ya dispone de un botn.

Pin IOREF este pin es una duplicacin regulada del pin Vin su funcin es indicar a la placa el voltaje al cual estn trabajando.

La placa Arduino contiene un reloj interno el cual funciona a 16 millones de hercios (16MHz). Esto quiere decir que el microcontrolador es capaz de realizar 16 millones de instrucciones en cada segundo. Existen otros tipos de placas Arduinos oficiales en el mercado, la funcin de ellos son similares a los del Arduino clase Uno, pero con la diferencia que cuentan con diferente capacidad y memoria.

Por ejemplo:

Arduino Mega 2560. Placa basada en el microcontrolador ATmega2560. Tiene 54 pines de entrada/salida digitales (de los cuales 14 pueden ser usados como salidas analgicas PWM), 16 entradas analgicas y 4 receptores/transmisores. Consta de una memoria Flash de 256 Kilobytes, una memoria SRAM de 8 KB y una EEPROM de 4 KB. Su voltaje de trabajo es igual al del modelo UNO: 5 V.

Arduino Ethernet. Es muy parecido al modelo UNO ya que contienen la misma cantidad de memoria Flash, SRAM y EPPROM, y tambin contienen el mismo nmero de pines de entradas/salida. El resto de las caractersticas es muy parecido, la mayor diferencia que existe con la placa UNO es que la placa Ethenet incorpora un zcalo de tipo RJ-45 para poderse conectar mediante el cable adecuado. Esta placa puede trasferir datos entre ella misma y cualquier otro dispositivo conectado a su red LAN transferir datos entre un dispositivo conectado a la LAN (normalmente, un computador ejecutando algn tipo de software de control) y ella misma (la cual puede estar conectada a algn actuador controlado remotamente por ese computador). Arduino Fio. Esta placa contiene un ATmega328P funcionando a 3,3 V y a 8 MHz. Tiene 14 agujeros que pueden utilizarse (mediante soldadura directa o bien mediante la colocacin de pines hembra de plstico) como pines de entrada/salida digitales, tambin tiene 8 agujeros preparados para utilizarse como entradas analgicas y un botn de reinicio, todo ello dentro de un tamao muy reducido.

Arduino pro. Esta placa viene en dos versiones: ambas contienen un microcontrolador Atmega328P SMD, pero una funciona con 3,3 V y a 8 MHz y la otra funciona con 5 V y a 16 MHz. Dispone de 14 agujeros que funcionan como pines de entrada/salida digital (6 de los cuales pueden ser usados como salida PWM), 6 agujeros para entradas analgicas, agujeros para montar un conector de alimentacin de 2,1 mm, un zcalo JST para una batera LiPo externa,

Arduino Lilypad. Este Arduino se utiliza en los materiales textiles el cual permite conectarse mediante hilos conductores, sensores, fuentes de alimentacin y actuadores de forma que se puedan llevar encima haciendo posible la creacin de vestidos y ropa inteligente y adems se puede lavar. Esta placa incorpora el microcontrolador ATmega328V (una versin de bajo consumo del Atmega328P), el cual se programa acoplando a la placa un adaptador o cable USB-Serie.

Arduino Nano. Lo ms increble de esta placa es que a pesar de sus longitudes sigue ofreciendo el mismo nmero de entrada/salidas digitales que el Arduino UNO y la misma funcionalidad que esta. La consecuencia ms evidente de su reducido tamao es que carece del conector de alimentacin de 2,1 mm (aunque puede seguir siendo alimentada por una fuente externa mediante el pin Vin o 5 V) e incorpora un conector USB mini B en vez del conector USB tipo B.

Arduino Mini. Esta placa es muy parecida a la placa Arduino Nano, est basada igualmente en el microcontrolador ATmega328P SMD funcionando a 16MHz, tiene 14 pines de entrada/salida digitales (6 de los cuales pueden funcionar como salidas PWM) y 8 entradas analgicas. Y al igual que la placa Arduino Nano, el Arduino Mini est especialmente pensada para conectarla a una protoboard mediante las patillas que sobresalen de su parte posterior, formando parte as de un circuito complejo de una manera relativamente fija.

Arduino Leonardo. La gran novedad de esta placa es que el microcontrolador que incorpora es el ATmega32U4 (en formato SMD), el cual tiene todas las funcionalidades que ofrece el Atmega328P pero incorpora adems 0,5 kilobytes ms de memoria SRAM y sobretodo, soporta comunicaciones USB directamente (y por tanto, no necesita de ningn chip suplementario).

Sensores de posicionamientoExisten varios tipos de sensores fotoelctricos, el ms comn y econmico es el sensor llamado LDR.

Puede tambin ser llamado fotorresistor, fotoconductor, clula fotoelctrica o resistor dependiente de la luz, cuyas siglas, LDR, se originan de su nombre en ingls light dependent resistor (resistor dependiente de la luz) y es una resistencia que vara su valor dependiendo de la cantidad de luz que incide sobre l.El LDR es fabricado con materiales de estructura cristalina, y utiliza sus propiedades fotoconductoras. Los cristales utilizados ms comunes son: sulfuro de cadmio y seleniuro de cadmio.El smbolo de la fotorresistencia es como se muestra en la Figura 19, combinacin de elementos comunes en el mbito electrnico.

La variacin del valor de la fotorresistencia tiene cierto retardo, diferente si se pasa de oscuro a iluminado o de iluminado a oscuro. Esto limita a no usar los LDR en aplicaciones en las que la seal luminosa vara con rapidez, el tiempo de respuesta tpico de estos sensores est en el orden de una dcima de segundo. Esta lentitud da ventaja en algunas aplicaciones, ya que se filtran variaciones rpidas de iluminacin que haran inestable al sistema.

Figura 19. Smbolo de una fotorresistencia LDR

Figura 20. Smbolo de un relevador

Relevador

El Relevador o rel fue inventado por Joseph Henry en 1835, Su funcin es de un interruptor controlado por un circuito elctrico, por medio de una bobina y un electroimn, se acciona un juego de uno o varios contactos que permiten abrir o cerrar otros circuitos elctricos independientes.

El rel es capaz de controlar un circuito de salida de mayor potencia que el de entrada.

En la figura 20 se observa la simbologa estndar para un relevador con interruptores normalmente abierto y normalmente cerrado.

2.4.1.2 Elemento de trasmisin mecnica Se denomina como transmisin mecnica a un mecanismo encargado de ceder potencia entre dos o ms elementos.

Existen diversos tipos de mecanismos para aumentar la potencia generada por el motor, uno de ellos es el engrane.

Un engrane o tambin llamado ruedas dentadas es un mecanismo para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una mquina o sistema. Son empleados para transmitir un movimiento giratorio o alternativo desde una parte de una maquina a otra. El tren de engranajes se denomina como un conjunto de dos o ms engranes que se utilizan para transmitir un movimiento.Para el diseo de un engrane se consideran la velocidad y torque del motor, longitud de la flecha, y velocidad requerida para el sistema.

Figura 21. Representacin de engrane recto

En est subtema no se hace mencin del diseo de los engranes, ya que los elementos que se adquiere estn diseados para ejercer una fuerza mayor a la requerida para el prototipo del seguidor solar, as que solo se mencionaran los tipos de engranes que existen.

Los tipos de engranes son los que se mencionan a continuacin:Engranes rectos.

Como se ilustra en la Figura 21 este tipo de engrane tienen dientes paralelos al eje de rotacin y se emplean para transmitir movimiento de un eje a otro eje paralelo. Estos engranes son los ms simples que existen. Se utilizan generalmente para velocidades pequeas y medianas, a grandes velocidades si no son ratificados o pulidos producen ruido cuyo nivel depende de la velocidad de giro que tengan.

Engranes helicoidalesComo se observa en la Figura 22, este tipo de engranes poseen dientes inclinados con respecto al eje de rotacin, y se utilizan para las mismas aplicaciones que los engranes rectos, estos no son tan ruidosos, debido al engranado que es ms gradual de los dientes durante el acoplamiento. Asimismo, el diente inclinado desarrolla cargas de empuje y pares de flexin que no estn presentes en los engranes rectos. En ocasiones, los engranes helicoidales se usan para transmitir movimiento entre ejes no paralelos.

Figura 22. Representacin de engrane helicoidal

Los engranes cnicos, estos engranes que presentan dientes formados en superficies cnicas, se emplean sobre todo para transmitir movimiento entre ejes que se intersecan. En la Figura 23 se exhiben los engranes cnicos de dientes rectos. Los engranes cnicos en espiral se cortan de manera que el diente no sea recto, sino que forme un arco circular.

Figura 23. Representacin de engranes cnicos

Figura 24. Representacin de engranaje de tornillo

El tornillo sinfn o de gusano, que se muestra en la Figura 24, representa el cuarto tipo de engrane bsico. El gusano se parece a un tornillo. El sentido de rotacin del gusano, tambin llamado corona de tornillo sinfn, depende del sentido de rotacin del tornillo sinfn y de que los dientes de gusano se hayan cortado a la derecha o a la izquierda. Los engranajes de tornillo sinfn tambin se hacen de manera que los dientes de uno o de ambos elementos se envuelvan de manera parcial alrededor del otro. Dichos engranajes se llaman engranajes de envolvente simple o doble. Los engranajes sinfn se emplean sobre todo cuando las relaciones de velocidad de los dos ejes son muy altas. La velocidad de giro del eje conducido depende del nmero de entradas del tornillo y del nmero de dientes de la rueda. En la prctica la mayora de tornillos son de una sola entrada, por lo que cada vez que ste d una vuelta, el engranaje avanza un slo diente. Este sistema es de gran ayuda para cuestiones de diseo como en este caso ya que limita a que el sistema este fijo y solo se mueva al girar el tornillo.2.4.1.3 Soporte mecnico Un soporte es un elemento que mantiene esttico los componentes acoplados en un sistema, se disean dependiendo de la fuerza que soportara o el peso del material que se colocara. Para el sistema se adquieren materiales comerciales como lo es el perfil rectangular de acero A36.2.4.2 Sistema de control

Un sistema de control est formado por subsistemas y procesos (o plantas) unidos con el fin de controlar la salida del proceso o respuesta. En su forma ms sencilla, un sistema de control produce una sola salida o respuesta para una sola entrada o estimulo dado, como se ilustra en la Figura 25.

Un sistema de control tiene los siguientes elementos:

Variable a controlar: Generalmente se le conoce como seal de salida. Constituye la seal que se desea que adquiera valores determinados. Planta o sistema: Constituye un conjunto de elementos que realizan una determinada funcin. O sea el objeto fsico que se desea controlar. Sensor: Es el elemento que capta el valor de una variable a controlar en determinado instante de tiempo. Seal de referencia: Es el valor que se desea tome la seal de salida.

Actuador: Acta sobre el sistema modificando la seal de salida.

Controlador: Es el elemento que comanda al actuador en funcin del objetivo de control.

Variable manipulada o seal de control: Es la cantidad o funcin que el controlador modifica para efectuar el valor de la variable controlada.

Perturbacin: Es todo aquello que modifica la variable a controlar. Transductor de salida: es el que mide la respuesta de salida y la convierte en una forma empleada por el controlador. Servomecanismo: Es el sistema de control retroalimentado donde se desea controlar la velocidad, aceleracin, etc.

Figura 25. Esquema simplificado de un sistema de control

Existen dos sistemas de control de posicionamiento comnmente empleados en la tarea de posicionar paneles. El primero es un sistema de control cerrado dependiente de la hora, mes en que se encuentra. Esta es la forma ms precisa para posicionar el panel, pero involucra conocer varios factores (inclinacin y orientacin) y especificaciones del lugar de aplicacin. El segundo, y seleccionado para este trabajo, es un sistema de control con retroalimentacin por medio de sensores luminosos LDR, el cual dependiendo de la intensidad de la luz que recibe ser el movimiento de los motores para el posicionamiento, esto se lleva a cabo procesando mediante Redes Neuronales Artificiales, implementadas en el hardware Arduino.En la Figura 26 se muestra un diagrama que describe de manera modular el sistema de control desarrollado en esta tesis.

Los elementos del sistema son los siguientes:

Variable a controlar: Voltaje generado por las celdas fotovoltaicas.

Planta o sistema: Mecanismo seguidor solar.

Sensor: Fotorresistencias LDR.

Seal de referencia: Cada de voltaje en las fotorresistencias.

Actuador: Motores de corriente continua.

Controlador: Red neuronal artificial implementado en Arduino UNO.

Variable manipulada o seal de control: Orientacin del mecanismo.

Perturbacin: Cambio luminoso en el entorno atmosfrico.

Transductor de salida: Arreglo de los LDR para medir la tensin.

Figura 26. Diagrama de bloque del seguidor solarEl algoritmo de control de Arduino se desarrolla en un lenguaje de programacin, esto permite gobernar el circuito en el que se carga, actuando de forma lgica acorde con las instrucciones contenidas en su memoria.

Una vez conectado el sensor a utilizar, el control permite accionar los actuadores que ubican el panel solar segn la posicin del sol. Dentro de las herramientas que se utilizan para realizar dicho algoritmo de control se destacan: El lenguaje C, los controladores PID, el uso de lgica difusa, y las redes neuronales, etc.

Para que un microcontrolador realice una tarea cualquiera que sea, se tiene que contar con un algoritmo de programacin que le indique, a travs de un programa, que es lo que debe hacer con la mayor precisin posible y sin ambigedades.

Un algoritmo es una sucesin finita de pasos que se pueden ejecutar en un tiempo finito, cuya razn de ser es la de resolver problemas. Para el diseo de algoritmos se recomienda seguir una serie de paso, iniciando por analizar el problema particular.El objetivo del anlisis del problema, es ayudar al programador a llegar a una cierta compresin de la naturaleza del mismo. Este anlisis supone, en particular, la superacin de una serie de pasos.

Definir el problema con precisin.

Especificar los datos de partida necesarios para la resolucin del mismo (especificaciones de entrada).

Especificar la informacin que debe proporcionarse al resolverse (especificaciones de salida).

Disear un algoritmo, que puede ser una tarea difcil y su aprendizaje no es inmediato, ya que requiere una buena dosis de experiencia y creatividad.

2.5 Redes neuronales artificialesUna red neuronal artificial llamada ANN por sus siglas en ingls (Artificial Neural Networks), o RNA en espaol, son un tipo de aprendizaje y procesamiento automtico inspirado en la forma en que funciona el sistema nervioso de los seres vivos. Se trata de un sistema de interconexin de neuronas que colaboran entre s para producir un estmulo de salida.

Las RNA pueden estudiarse como aproximadores universales desde el punto de vista matemtico. Una aproximacin es un acercamiento de una funcin cualquiera usando una transformacin lineal. Las redes neuronales artificiales son aproximadores no lineales a la forma en que funciona el cerebro; por lo tanto no deben compararse directamente con el cerebro ni confundir los principios que fundamentan el funcionamiento de las redes neuronales artificiales y el cerebro, ni pensar que las redes neuronales se basan nicamente en las redes biolgicas ya que slo emulan en una parte muy simple el funcionamiento del cerebro humano. Adems se debe considerar que las redes biolgicas son generadoras de procesos neurobiolgicos en que se establecen relaciones de complejidad muy alta, las cuales no se puede lograr con redes monocapas ni con redes multicapas.2.5.1 Fundamentos biolgicos de las redes neuronales naturales

Una neurona biolgica es una clula especializada en procesar informacin, compuesta por el cuerpo de la clula llamada soma y dos tipos de ramificaciones: el axn y las dendritas.La neurona biolgica recibe unas series de pulsos de otras neuronas a travs de sus dendritas y transmite seales generadas por el cuerpo de la clula a travs del axn. La figura 27 muestra los elementos de una red neuronal natural.

Figura 27. Elementos neuronales

En general, una neurona consta de un cuerpo celular ms o menos esfrico, de 5 a 10 micras de dimetro, del que salen una rama principal, el axn y varias ramas ms cortas que corresponden a las dendritas. Una de las caractersticas de las neuronas es su capacidad de comunicarse. En forma concreta, las dendritas y el cuerpo celular reciben seales de entrada; el cuerpo celular las combina e integra y emite seales de salida. El axn transmite dichas seales a las terminales axnicos, los cuales distribuyen la informacin. Se calcula que en el cerebro humano existen aproximadamente 1015 conexiones.Las seales que se utilizan son de dos tipos: elctricas y qumicas. La seal generada por la neurona y transportada a lo largo del axn es un impulso elctrico, mientras que la seal que se transmite entre los terminales axnicos de una neurona y las dendritas de la otra es de origen qumico.Para establecer una similitud directa entre la actividad sinptica y la analoga con las redes neuronales artificiales se considera que las seales que llegan a la sinapsis son las entradas a la neurona, stas son ponderadas (atenuadas o simplificadas) a travs de un parmetro denominado peso, asociado a la sinapsis correspondiente. Estas seales de entrada pueden excitar a la neurona (sinapsis con peso positivo) o inhibirla (peso negativo).El efecto es la suma de las entradas ponderadas. Si la suma es igual o mayor que el umbral de la neurona, entonces la neurona se activa (da salida). Esta es una situacin de todo o nada; cada neurona se activa o no se activa. La facilidad de transmisin de seales se altera mediante la actividad del sistema nervioso. Las sinapsis son susceptibles a la fatiga, deficiencia de oxgeno y la presencia de anestsicos, entre otros. Esta habilidad de ajustar seales es un mecanismo de aprendizaje.2.5.2 Breve historia de las redes neuronales artificiales

La primera accin encaminada a emular las neuronas biolgicas se dio en 1943 cuando el neurofisiologo Warren McCullch y el matemtico Walter Pitts, escribieron un documento el cual explico que la salida de la neurona era en forma binaria.

Para reforzar este concepto se escribi un libro relacionado a las neuronas en 1949 por Donal Hebb, este trabajo resalto que la comunicacin ( sinapsis) de las neuronas se fortalecen en el grado en que son empleadas y estas desarrollan nuevas habilidades.

En 1957 Jhon Von Neumann sugiri imitar las funciones simples de una neurona con la utilizacin de relevadores de telgrafo o tubos de vaco. En ese mismo ao Frank Rosenblatt, comenz a trabajar en el Perceptrn. Este trabajo consisti en una red de neuronas simples en el que considera las salidas de la neurona como salidas binarias.

Posteriormente Minsky y Papert demostraron las limitaciones del Perceptrn ya que por su salida binaria solo poda separa un espacio de muestra en dos clases.En 1959 Bernard Widrow y Marcian Off de Stanford desarrollaron modelos que ellos llamaron ADALINE y MADALINE. Estos modelos fueron nombrados de esta manera por el uso de mltiples elementos de adaptacin lineal (Multiple ADAptive LINear Elements) y a diferencia del Perceptrn incluan un peso de conexin con entrada constante de 1 (sesgo o bias).y emplea una funcin de activacin bipolar.

Durante las siguientes dos dcadas hubo un retraso en cuestin al desarrollo de las redes hasta principios de los 80s cuando se present el trabajo de Hopfield en el cual aproxima el funcionamiento de las neuronas desde el punto de vista energtico, y el otro trabajo importante fue la presentacin del algoritmo de aprendizaje empleado en una red Perceptrn de capas mltiples propuesta por verbos.2.5.3 Caractersticas de las RNAsLas RNAs tienen caractersticas que no se encuentran presentes en el modelo de computador propuesto por Von Neumann, algunas de estas son: ,,,:

Procesamiento paralelo Calculo de representacin distribuida Habilidad de aprender por medio de ejemplos Habilidad de generalizar Adaptabilidad Tolerancia a falla La conexin de la RNA almacena la informacin del patrn de entrenamiento2.5.4 Neurona artificial

Una RNA consta de un conjunto de elementos de procesamiento conectados entre s y entre los que se envan informacin a travs de conexiones. El elemento bsico de la RNA es la neurona artificial o tambin conocido como elemento de procesamiento bsico o procesador elemental (PE).La neurona artificial propuesta por McCullon y Pitts es como se observa en la Figura 28 y es una de las ms simples.

Figura 28. Modelo ms simple de una neurona realizada por McCullon y Pitts

Se presentan varias seales de entrada a la neurona, y cada una de estas seales es multiplicada por un valor (peso de conexin). En el caso ms simple, estos productos solo son sumados, y alimentados a travs de una funcin de transferencia de lmites rgidos para finalmente generar un resultado binario. Si la entrada a la neurona es menor al valor de Umbral entonces la salida ser 0 en caso contrario ser 1,,. En este modelo las conexiones de entrada (flechas) modelan los axnes y dendritas de una neurona biolgica, los pesos de conexin a las sinapsis, y la funcin de lmites rgidos a la actividad del soma. Este modelo presenta una gran cantidad de simplificaciones que no reflejan el verdadero funcionamiento de una neurona biolgica42.El modelo matemtico de la neurona McCulloc-Pitts est dado por la siguiente ecuacin.

Ec. 1

Donde: = Valor de la seal de salida de la neurona, regularmente se considera igual al nivel de activacin de la neurona. = Peso de la entrada j. = Valor de seal de entrada j. = Valor de umbral o sesgo de la funcin. = Nmero de entradas a la neurona.Las funciones de entrada ms empleadas y conocidas son: ,

a) sumatoria del producto de los valores de entrada por sus respectivos pesos.

Ec. 2b) Productora de las entradas pesadas (producto de todos los valores de entrada, multiplicados por sus correspondientes pesos).

Ec. 3

c) Mximo de las entradas pesadas. Solo considera el valor de entrada ms fuerte, previamente multiplicado por su peso correspondiente.

Ec. 4d) Distancia euclidiana.

Ec. 5Una neurona artificial puede estar activa o inactiva; esto significa que tiene un estado de activacin. Algunas neuronas artificiales pueden encontrarse en un valor de activacin dentro de un conjunto determinadoLa funcin de activacin calcula el estado de actividad de una neurona, esta es una funcin del valor x proporcionado por la funcin de entrada (valor de salida en funcin de entrada). Las funciones de activacin ms empleadas se mencionan en seguida, y muestran en la Figura 29.a) Funcin de activacin lineal.

Ec. 6Siendo a un valor que afecta la pendiente de la funcin.

b) Funcin Tangente Hiperblica

Ec. 7Siendo g un valor que afecta la pendiente de la funcin.

Figura 29. Funciones de activacin ms comnmente empleadas

c) Funcin de activacin sigmoidea.

Ec. 8Siendo g un valor que afecta la pendiente de la funcin.d) Funcin Gausiana.

Ec. 9Siendo A y B un valor que afecta la dispersin de la funcin.Por ltimo el elemento de procesamiento est listo para proporcionar el valor de la seal de salida u. Esta salida es transferida a otros elementos de procesamiento, o a una conexin de salida, como corresponda a la estructura de la red.

Si la funcin de activacin est por debajo de un umbral determinado (ver Figura 29), ninguna salida se pasa a la neurona siguiente. Normalmente los valores de entrada a una neurona estn restringidos dentro de un rango: [0, 1], [-1, 1], etc.Dos de las funciones de salida ms empleadas se muestran en la Figura 30.

a) La funcin identidad. Donde la salida es la misma que la entrada.

Ec.10

Siendo ui(t) el valor de la seal de salida de la neurona i en el tiempo t.b) La funcin binaria.

Ec.11Siendo el valor de umbral de la neurona i.

Figura 30. Funciones de salida ms empleadas2.5.5 Estructura de la RNAUna RNA consta de un conjunto de elementos de procesamiento conectados entre s y entre los que se envan informacin a travs de conexiones llamados sinapsis. Un esquema bsico de una red neuronal artificial se observa en la Figura 31, la cual presenta las diferentes capas que tiene.

Figura 31. Grafica dirigida de una RNA general

En una RNA las neuronas se encuentran agrupadas en capas (layers) y altamente interconectadas por medio de sinapsis; su forma de la estructura posee varias entradas y salidas, las cuales es comn manejarlas en forma de vectores. Las sinapsis son establecidas (entrenadas) para reaccionar de una forma determinada a los estmulos de entrada y generar una salida deseada.Como se observa en la Figura 31, se distingue 3 tipos de capas:

De entrada. Donde se recibe la informacin proveniente de fuentes externas a la RNA. Ocultas. Son las que se encuentran en la estructura interna de la RNA y no tienen contacto directo con el exterior. De salida. Transfiere la informacin obtenida por la RNA hacia el exterior.Bsicamente, todas las RNA tienen una estructura similar a la que se muestra en la Figura 31. Existen redes que contienen una sola capa, o aun solo un elemento, pero la mayora de las aplicaciones requieren redes que al menos tengan los tres tipos de capa.La capa de neuronas de entrada recibe los datos ya sea por medio de archivos de entrada o aplicaciones de tiempo real directamente de sensores. La capa de salida enva informacin directamente al mundo exterior, ya sea a un proceso de clculo secundario o la etapa de potencia electrnica de un sistema de control mecnico, por ejemplo. Entre estas dos capas puede haber muchas capas ocultas. Estas capas internas contienen neuronas interconectadas en varias estructuras. La entrada y salida de cada una de estas neuronas ocultas simplemente alimenta a otras neuronas.

Todas las neuronas correspondientes a una capa pueden estar conectadas con todas las neuronas de las capas cercanas, esto sera una conexin completa. Cuando no existen todas las conexiones posibles de una neurona o capa de neuronas se dice que estn Parcialmente Conectadas.Considerando las conexiones de realimentacin se pueden considerar dos clases de arquitecturas, mostradas en la Figura 32.

Figura 32. Ejemplos de RNAs con diferente arquitectura de alimentacin

Arquitectura de prealimentacin (feedforward). No existe alguna conexin desde las neuronas de salida hacia las neuronas de entrada. En esta RNA no se almacenan los valores de salida previos o el estado de activacin de alguna de sus neuronas. Arquitectura de Realimentacin (feedback). Existen conexiones desde las neuronas de salida hacia las neuronas de entrada. En este tipo de RNAs es necesario almacenar los valores previos de salida y los estados de activacin de algunas neuronas.2.5.6 Modelos de RNAs

Existen una serie de modelos dentro de redes neuronales artificiales, cada uno de ellos tiene diferentes ventajas y forma de entrenamiento, los que destacan:,,

Perceptrn. Perceptrn multicapa. Adaline.

Memorias asociativas.

Mquina de Boltzmann.

Programacin hacia atrs (backpropagation)

RNA de Elman.

RNA de kohonen.

RNA de base radial.

Redes ART (Adaptative Resonance Theory).

2.5.7 Entrenamiento de una RNA

Se denomina entrenamiento al proceso de configuracin de una red neuronal para que las entradas produzcan las salidas deseadas a travs del fortalecimiento de las conexiones. Una forma de llevar esto a cabo es a partir del establecimiento de pesos conocidos con anterioridad, y otro mtodo implica el uso de tcnicas de retroalimentacin y patrones de aprendizaje que cambian los pesos hasta encontrar los adecuados.

Existen dos arquitecturas principales de entrenamiento: supervisado o asociativo y no supervisado o auto-organizado. En este trabajo se emplear el entrenamiento supervisado ya que es posible obtener los datos de entrenamiento necesarios para este tipo de adiestramiento y la RNA a emplear en esta tesis puede ser enseada empleando entrenamiento supervisado.En el entrenamiento supervisado se introducen entradas que corresponden a determinadas salidas, ya sea por un agente externo o por el mismo sistema. En el no supervisado el entrenamiento se enfoca a encontrar caractersticas estadsticas entre agrupamientos de patrones en las entradas.2.5.7.1 Entrenamiento supervisadoEn el entrenamiento supervisado se le proporciona a la red neuronal artificial el valor de salida correcto para cada uno de los patrones de entrada y posteriormente los valores de los pesos de conexin son modificados de tal forma que la RNA produzca una respuesta en la salida que sea lo ms cercana posible al valor deseado. Durante el entrenamiento de una red el mismo conjunto de datos se procesa tantas veces como sea necesario para que el peso de las conexiones sea el adecuado.A pesar del entrenamiento, algunas RNAs nunca aprenden la tarea deseada. Debido a que los datos de entrada carecen de informacin suficiente para producir la salida esperada.Si una RNA no puede resolver un problema, se deben revisar: los datos de entradas y salidas, el nmero de capas, el nmero de elementos por capa, el tipo de conexin entre capas, las funciones de entrada, activacin, salida y de adiestramiento.2.5.8 RNA PerceptrnRosenblatt diseo una gran variedad de RNAs simples conocidas como perceptrones en los aos 1950. En el modelo de perceptrn, se emplea una sola neurona (similares a las de McCulloch y Pitts) con una funcin de red de ponderacin lineal y una funcin de activacin (umbral). La entrada a esta neurona x = (x1, x2,..., xn) es un vector n-dimensional en el espacio. La funcin de red de u (x) es la suma ponderada de las entradas. Como se ilustra en la Figura 33. ,

El Perceptrn es un algoritmo aleatorio de gradiente descend