PROYECTO DE FÍSICA

1. Informe de proyectode curso
Diseño de un sistema de seguimiento fotovoltaico con control de posicionamiento usando ARDUINO
UNIVERSIDAD PRIVADA DEL NORTE – CIENCIAS
DISEÑO DE UN SISTEMA DE SEGUIMIENTO FOTOVOLTAICO CON
CONTROL DE POSICIONAMIENTO USANDO ARDUINO
DESIGN OF A PHOTOVOLTAIC TRACKING SYSTEM WITH POSITIONING
CONTROL USING ARDUINO
Aaron Alcalde V. (1)
Diosdado Jurado M. (2)
Miguel Nureña E. (3)
Angel Villafuerte C. (4)
(1)
Ing. Mecatrónica.
Docente: Arturo Dávila Obando
Olivos, Lima, Perú
Septiembre – 2021

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Diseño de un sistema de seguimiento fotovoltaico con control de posicionamiento usando ARDUINO
AGRADECIMIENTOS
El presente proyecto de investigación va dirigido a todas las personas que brindaron su
apoyo y consejos en especial al docente, estamos agradecidos por sus enseñanzas,
virtudes, paciencia y empatía a lo largo del proceso de la elaboración del presente
proyecto este trabajo no hubiera logrado desarrollarse o completarse. Así mismo,
agradecer a todos los docentes de la universidad UPN involucrados en el aprendizaje,
revisión y elaboración de los conocimientos adquiridos de física a lo largo de todo el
ciclo para el desarrollo del proyecto presentado hoy.
A dios porque gracias a él se pudo superar aquellas dificultades que nos mantenían
preocupados y estresados, siendo la única solución para lidiar con todos nuestros
problemas.
¡¡MUCHAS GRACIAS!!

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RESUMEN
En la actualidad el uso de la energía renovable o limpia ha constituido una parte
importante de la humanidad desde tiempos remotos. Las principales son energía solar,
eólica e hidráulica. Por lo cual, como grupo decidimos enfocarnos en la elaboración de
un sistema fotovoltaico que sigue la trayectoria del sol, de esa manera aprovechar al
máximo la radiación solar para cuidar la salud del planeta. Así mismo, este sistema será
automatizado empleando un dispositivo GPS y un microcontrolador Arduino para que así
pueda encontrar la mejor posición de este en dirección al sol.
Teniendo en cuenta la dinámica celeste de los astros y la variación del sol que se presenta
durante el día y la fecha para así tener una mejor eficiencia de potencia, este proyecto
emplea un solo eje horizontal debido a que Perú se encuentra cerca del Ecuador terrestre
y así seguir la dirección aparente del sol gracias a un dispositivo GPS y el lenguaje de
programación será c++, usando un microcontrolador Arduino Uno Rev3.
Como resultado se obtiene un sistema que se posiciona de forma automática en el punto
de máxima radiación solar durante el monitoreo y las pruebas realizadas al prototipo, se
pudo observar que el panel fotovoltaico mantenía un voltaje promedio de 20 volts durante
el día.
Palabras Claves: GPS, microcontrolador, potencia, fotovoltaico, dinámica.

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ABSTRACT
Today the use of renewable or clean energy has been an important part of humanity since
ancient times. The main ones are solar, wind and hydro power. Therefore, as a group, we
decided to focus on the development of a photovoltaic system that follows the path of the
sun, thus making the most of solar radiation to take care of the health of the planet.
Likewise, this system will be automated using a GPS device and an Arduino
microcontroller so that it can find the best position for it in the direction of the sun.
Taking into account the celestial dynamics of the stars and the variation of the sun that
occurs during the day and date in order to have a better power efficiency, this project uses
a single horizontal axis because Peru is close to the terrestrial Ecuador and thus follow
the apparent direction of the sun thanks to a GPS device and the programming language
will be c ++, using an Arduino Uno Rev3 microcontroller.
As a result, a system is obtained that is automatically positioned at the point of maximum
solar radiation. During the monitoring and tests carried out on the prototype, it was
observed that the photovoltaic panel maintained an average voltage of 20 volts during the
day.
KEYWORD: GPS, microcontroller, power, photovoltaic, dynamic.

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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL: Diseño de un panel solar automatizado para la generación de
energía limpia.
OBJETIVO ESPECÍFICO:
● Identificar las propiedades físicas aplicadas para el funcionamiento de los paneles
solares
● Realizar una comparación de eficiencia y rendimiento de un sistema fotovoltaico
que permanezca inmóvil con uno de igual capacidad con seguimiento solar
● Modelar el prototipo en 3D usando el software AutoCAD y el circuito electrónico
en Proteus
1. INTRODUCCIÓN
Actualmente en el Perú hay escasez de energía eléctrica en diferentes distritos y regiones
del país. Así mismo, la generación y distribución de energía eléctrica tiene diferentes
problemas en el costo, intensidad de energía eléctrica y el bajo alcance en aquellas zonas
rurales donde la electricidad no es disponible, pero existen otros tipos de generación de
energía eléctrica más accesibles, tales como la energía eólica, hidráulica y solar, que son
más amigables con el medio ambiente. Los paneles solares aprovechan la radiación solar
y la convierten en energía eléctrica mediante el efecto fotoeléctrico. Así mismo, la
producción de cada celda solar dependerá de la temperatura y la cantidad de radiación
logre captar del sol, por ello se implementará un prototipo el cual seguirá la trayectoria
del sol durante el día, mejorando la eficiencia y rendimiento del sistema fotovoltaico en
la producción de energía eléctrica, para su desarrollo usaremos un módulo GPS y un
microcontrolador Arduino Uno R3. En cuanto a su estructura serán diseñados en
programas CAD usando SolidWorks y AutoCAD, los principios teóricos que se usarán
serán la carga eléctrica, la ley de coulomb, campo eléctrico, flujo eléctrico, potencial
eléctrico, etc.
El principal objetivo de este trabajo será diseñar un modelo de panel solar automatizado
eficiente y óptimo para generar una eficaz distribución en el almacenamiento de energía
eléctrica, siendo muy amigable con el medio ambiente. Para ello aplicaremos
fundamentos físicos los cuales serán utilizados en la generación de energía fotoeléctrica
y registramos la producción de corriente continua (DC) producida y almacenada mediante
medidores de tensión.

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2. REVISION BIBLIOGRAFICA
Los paneles solares son dispositivos que cumple la función de transformar la radiación
de la luz solar, mediante captación, en energía. Para el funcionamiento de este, se utiliza
el Silicio como principal componente. Estos paneles contienen diversas celdas encargadas
de producir energía; dichas celdas fotovoltaicas se encargan de realizar el efecto
fotovoltaico, captando luz solar para producir electricidad.
Figura1: Silicio dopado
Nota: Se aprecian las combinaciones del Silicio con impurezas para
formar Semiconductores N y Semiconductores P, respectivamente.
Al unir estos dos semiconductores (tipo N y tipo P) los fotones moverán los
electrones del semiconductor tipo N al semiconductor tipo P. por lo que de esta manera
se forma un flujo de electrones y así una corriente eléctrica. En la siguiente imagen se
aprecia un panel solar donde la parte N siempre está orientada a la luz.
Figura2: Panel solar
Nota: Se aprecia la unión de semiconductores N y P en el panel
La eficiencia de estos paneles puede variar y con el tiempo, los costos de
adquisición disminuyeron, originando más instalaciones de estos mismos. Factores como

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los cambios de temperatura, la intensidad solar y la potencia máxima, hacen que el
sistema fotovoltaico varié en su rendimiento.
Para el cálculo de la corriente que produce el panel fotovoltaico lo
representaremos mediante un diagrama el cual presenta un circuito de elementos tales
como el panel solar, un diodo que impide el regreso de la corriente, de tal manera que
este también servirá como interruptor de corto circuito, las resistencias Rs (resistencia en
serie) y Rp (resistencia en paralelo), que ayudan a la regulación del voltaje de salida de la
celda fotovoltaica. Ver figura (3).
Figura3: Representación eléctrica de una celda
Nota: La imagen representa el esquema eléctrico de una celda fotovoltaica expuesta al sol.
Tomado de MODELADO Y SIMULACION DE CELDAS Y PANELES SOLARES (pag18)
Para lograr determinar la corriente que posee la celda fotovoltaica cuando está en
contacto directo con la radiación solar y cuando la celda fotovoltaica no se encuentra en
contacto permanente con el sol, utilizaran las siguientes formulas.
La corriente producida por la radiación por contacto directo con la radiación solar
se muestra en la formula (1), donde se puede observar que la corriente del circuito será
igual que la corriente de iluminación emitida por el sol.
𝐼 = 𝐼𝐿 … …(1)
DONDE:
𝐼0 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎
𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛
𝑇𝐶 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎
𝑞 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛(1.6𝑥10−19𝐶)
𝑒 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑝𝑖𝑒𝑟 𝑜 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑢𝑙𝑒𝑟
La corriente de oscuridad o corriente de diodos, característica de las uniones P-N,
en la formula (2), está dada de forma exponencial, donde I0(es la corriente de saturación
inversa), q (carga del electrón), V (voltaje del sistema), Tc es la temperatura a la cual se

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encuentra la celda fotovoltaica, K es la constante de Boltzmann usada en la ecuación de
los gases idéalas.
𝐼𝐷 = 𝐼0 [𝑒
𝑞𝑉
𝑇𝑐𝐾 − 1] …… …. (2)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝐼0 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎
𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
𝑘 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑏𝑜𝑙𝑡𝑧𝑚𝑎𝑛
𝑇𝐶 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑐𝑒𝑙𝑑𝑎
𝑞 = 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑛(1.6𝑥10−19𝐶)
𝑒 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑁𝑎𝑝𝑖𝑒𝑟 𝑜 𝑛𝑢𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝐸𝑢𝑙𝑒𝑟
Por otro lado, la curva característica del diodo esta dado los valores de las
corrientes y el voltaje que actúan sobre él, es difícil medir la corriente del diodo en
circuitos y mallas ya que este está representado por una ecuación matemática de la curva
que se observa en la figura (4), una vez calculado el valor de la corriente de saturación
inversa podemos reemplazar en la formula (2), y calcular el valor de la corriente de
oscuridad.
FIGURA4: Grafica de la ecuación de la Curva característica del diodo.
Nota: imagen que representa una gráfica para los distintos valores del voltaje
y la corriente sometida al diodo. Tomado de Electrónica Básica (2001)
La ecuación de la curva es:
𝐼𝐷𝑖 = 𝐼0 [𝑒
𝐾𝑉
𝑇𝑎 − 1]… ….(3)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝐼𝐷𝑖 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜
𝐼0 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑑𝑒 𝑠𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑖𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎

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𝐾 =
11600
𝑛
𝑛 = 1(𝑔𝑒𝑟𝑚𝑎𝑛𝑖𝑜)
𝑛 = 2(𝑠𝑖𝑙𝑖𝑐𝑖𝑜)
𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑜 𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜
𝑇𝑎 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎 𝑎𝑑𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝑑𝑖𝑜𝑑𝑜 𝑒𝑛 𝐾°
Dado el valor de la corriente de iluminación y corriente oscura podemos calcular
la fórmula de la corriente total sobre la celda fotovoltaica, para ello restamos la formula
(1) y la formula (2), como se representa en la siguiente formula.
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [𝑒
𝑞𝑉
𝐴 𝑇𝑐𝐾 − 1] …… .. (4)
Para la formula (4), podemos integrar las resistencias en serie y paralelo vistas en
la figura (1), así mismo, para integrar las resistencias debemos tener en cuenta el factor
de idealidad(A). de tal manera hallaríamos la fórmula de la corriente de corto circuito,
para calcular el máximo valor de la corriente en el circuito.
𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [𝑒
𝑞(𝑉+𝑅𝑠)
𝐴 𝑇𝑐𝐾 − 1] −
𝑉 + 𝑅𝑆
𝑅𝑃
…… …… (5)
𝐷𝑜𝑛𝑑𝑒:
𝑅𝑆 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑠𝑒𝑟𝑖𝑒
𝑅𝑃 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑛 𝑝𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑜
𝐴 = 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑒 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑
El sistema de seguimiento mecánico permite dar diferentes orientaciones al panel
solar, permitiendo captar con mayor frecuencia la radiación directa del sol. Una estructura
de dos ejes proporciona mayor movilidad, aumentando la eficiencia, estando por encima
de estructuras fijas o de un solo eje.
El microcontrolador ARDUINO viene a ser una plataforma gratuita de computación
creada con bajos costos, basándose en una placa de entrada y salida, desarrollándose en
un entorno de desarrollo IDE el cual lleva a cabo el lenguaje Processing/WiringHARware.
Con ARDUINO es posible desarrollar diversos proyectos interactivos automáticos
además de conectarse a software desde un ordenador. El entorno de programación sirve
para la comunicación con el microcontrolador y para lograr subir los programas usamos
IDE (Integrated Development Envoroment), un sistema de desarrollo de Arduino.
El motor posee la capacidad de transformar la energía eléctrica, recibida, en energía
mecánica, siendo esto posible por la contención de un campo magnético que es un
bobinado que puede tener diferentes formas. El paso de la corriente por su bobina provoca
que se comporte como un imán que cambia sus polaridades rápidamente y para su
funcionamiento constante sólo debe de interrumpirse el paso de la corriente para que su
movimiento inercial genere una media vuelta, lo cual hará que se repita el ciclo. La fuerza

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de giro o potencia de todo motor radica en muchas de sus partes, ya sea por el espesor del
alambre, la cantidad de corriente suministrada, La cantidad de vueltas del bobinado. Todo
esto puede ser detallado por su proveedor, por lo que debemos de saber más acerca del
tipo de motor que deseamos obtener.
Para el movimiento del panel solar se usará la fuerza del motor DC, para ello el motor
tendrá que ser alimentado por un voltaje, para relacionar la alimentación del voltaje y la
corriente en la cual el motor funciona usaremos la ley de ohm, que relaciona el voltaje
con la corriente y resistencia del elemento eléctrico. Fórmula (6)
𝑉 = 𝐼 × 𝑅 …… … (6)
𝑉 = 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒
𝐼 = 𝑐𝑜𝑟𝑟𝑖𝑒𝑛𝑡𝑒
𝑅 = 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
Para el control del movimiento del panel solar se usará un sensor de posición SGPS
(Sistema de Posicionamiento Global basado en Intensidad de Luz Solar), tiene como fin
localizar un objeto libre, generando coordenadas, utilizando información de su entorno.
Este sistema debe de permanecer en reposo para posibilitar su posicionamiento durante el
día. Los componentes que permiten el desarrollo de este sistema son un sensor de luz, un
microprocesador y un reloj que pueda mantener la hora adecuada. Estos componentes
podrán ser de bajo costo, pero realizan una medición eficaz para implementar en el panel
solar de 2 ejes.

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3. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS:
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