Heliodón 2.0. Simulación solar. Moisès Morató - Ferran Fàbregas
Contenido
1.Introducción 1.1.¿Qué es un Heliodón? 1.2.Cómo funciona un heliodón clásico? 1.3.Heliodón real vs simulación informática 1.4.Carencias 2.Propuesta. Repensando el Heliodón. 2.1.Heliodon 2.0 2.2.Ventajas 3. Heliodón 2.0 3.1.Estructura 3.2.Automatización 3.3.Sensorización 3.4.Extracción de datos y acceso a internet 3.5.Interfaz 3.6 Componentes y esquema de diseño
1.Introducción 1.1.¿Qué es un Heliodón? El Heliodón es un dispositivo que permite simular mediante un sistema estructural el movimiento aparente del sol entorno a la tierra. Estos aparatos son usados frecuentemente por arquitectos, estudiantes de arquitectura, ingenieros y urbanistas para ver de forma directa y comprensible el fenómeno de iluminación solar. Las ventajas de un sistema de Heliodón es que se percibe de forma visual y comprensible cómo interacciona la radiación solar con las propuestas urbanas o edificatorias (modelos) y, además, permite modificar en el mismo momento diferentes propuestas de posicionamiento de los modelos (maquetas), redefinir su elevación o alterar las posiciones del sol. No obstante los heliodones clásicos presentan ciertos inconvenientes y limitaciones. La propuesta que aquí se expone es una respuesta de mejora a las limitaciones de los heliodones clásicos.
Un par de heliodones clásicos.
1.2.Cómo funciona un heliodón clásico? El funcionamiento del heliodón clásico se visualiza en las siguientes cuatro imágenes.
Funcionamiento del Heliodón clásico Fuente: http://www.auburn.edu
En primer lugar se sitúa la superficie que representa el suelo en posición horizontal (Pos1 a Pos 2). En esta superficie se van a situar los modelos a escala. A continuación debe inclinarse el grupo de aros según la latitud de la zona a simular (Pos2). Una posición de los aros en horizontal simula una latitud de 90 grados y una posición vertical de los aros simula la latitud ecuatorial. Cualquier otra latitud es simulable inclinando el grupo de aros la misma cantidad de grados que la latitud de la región a comprobar. El siguiente paso es situar el dia del año. En este tipo de heliodones sólo se pueden simular situaciones discretas, es decir, sólo se puede representar un solo dia tipo de cada mes. A la misma vez cada uno de los aros es representativo de uno o dos meses del año, pero no existe
la posibilidad de simular un día concreto del año. En la Pos 3, el punto 1 corresponde a un mes de verano y el punto 2 corresponde a un mes de invierno (hemisferio norte). El paso final es realizar la simulación de la trayectoria solar diaria. Para realizar la simulación solar se necesita que foco de luz realice el trayecto simulando el sol (Pos4). Algunas soluciones pasan por disponer de varias lámparas a lo largo de la trayectoria y se van encendiendo paulatinamente y otras permiten que el aro que sustenta la lámpara gire. Ambas soluciones presentan problemas de diseño y también estéticos. Como se ve, esta tipología de heliodón, además de presentar límites de actuación, requiere de muchos elementos repetitivos (aros) así como várias lámparas para iluminar en diferentes épocas del año, lo que conlleva a un resultado de estructura ciertamente voluminoso, complicado y pesado.
1.3.Heliodón real vs simulación informática Existen diversos productos de software que permiten hacer simulaciones parecidas a lo que nos permite hacer un Heliodón. A nivel de la calidad de los resultados podemos considerar que en general la información digital generada en una simulación informática es mucho más precisa y manejable que los resultados analogicos que se pueden ver en un Heliodón. Por el lado contrario, la simulación informática en general es mucho más compleja de usar para el usuario final , ademas de depender de las limitaciones que los programadores han introducido en su desarrollo y que, sobretodo, carece del potencial didáctico que nos brinda un Heliodón clásico al poder ver visualmente el comportamiento del sol ante un escenario concreto y la flexibilidad de poder hacer modificaciones de manera manual sin depender de un software. Nuestro objetivo en el proyecto de Heliodon 2.0 es juntar lo mejor de los dos mundos, manteniendo una estructura física que brinda la flexibilidad y todo el potencial didáctico de un Heliodón clásico, sumado a la potencia de cálculo y tratamiento de datos de un simulador informático.
1.4.Carencias Las imágenes del apartado 1.1 muestran diferentes heliodones. La mayoría responden al mismo concepto: una sección virtual de esfera (compuesta por varios aros) que puede oscilar en un eje y una plataforma interior donde se dispone de la maqueta. A lo largo de la sección de esfera -o aros- se sitúan las lámparas que iluminan la maqueta. Esta tipología de heliodon presenta algunos problemas, derivados en cierta manera de su construcción basada en los modelos didácticos del funcionamiento del movimiento sol-tierra, un sistema adecuado para la explicación pero no tanto para llevar a cabo la construcción de un sistema mecánico que lo simule. Los principales problemas que presentan los heliodones clásicos son:
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Movimiento discreto (punto a punto): deben disponerse de varias varillas representativas de algunos -o todos- los meses. Este tipo de definición discreta no permita situarse por ejemplo en un dia cualquiera del mes o realizar saltos de un día del año a otro cualquiera de forma directa e inmediata. Los heliodones tradicionales ofrecen información visual interesante pero subjetiva. Es decir, que su utilidad responde a consideraciones útiles e inmediatas en cuanto a iluminación de zonas, pero existe una falta de cuantificación numérica del fenómeno a estudiar (horas de insolación, de potencia solar, etc). Los heliodones tradicionales al responder a un diseño forzado suelen ser, además de caros, aparatos sobredimensionados, muy voluminosos y pesados.
Dimensiones típicas de un Heliodón clásico. Fuente: http://www.auburn.edu
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No permiten visualizar frecuentemente lo que ocurre en todas la latitudes por interferencia de elementos con la bancada de soporte. No permiten una visualización continua del paso de los días por la misma razón que la anterior.
2.Propuesta. Repensando el Heliodón. 2.1.Heliodon 2.0 Nuestra propuesta de Heliodon (llamada provisionalmente Heliodon 2.0) tiene como objetivo paliar todas o la mayoría de carencias que actualmente tienen los Heliodones clásicos. Para conseguir nuestro objetivo hemos redefinido y rediseñado completamente el concepto de Heliodon clásico, tanto desde un punto de vista estructural como a nivel de funcionalidad gracias a la implementación de un sistema de automatización, sensorización y conectividad que permiten llevar el Heliodon al siguiente nivel.
2.2.Ventajas Como se ha dicho anteriormente, el aparato de Heliodon que se propone en este documento responde a la concepción de movimientos angulares sol-tierra de una forma distinta, sin atenerse a ideas preconcebidas sobre soluciones tradicionales. Se ha llegado a la solución definitiva después de una evolución sobre el concepto puro de movimiento angular (sol-tierra). La solución es una estructura más simple, pero que permite realizar sin impedimentos los mismos movimientos angulares que realiza el sol aparentemente en torno a la tierra. Su estructura es sencilla, robusta y fácilmente monitorizable y motorizable. Con todo ello se llega a un sistema con notables ventajas sobre sus antecesores. Heliodón 2.0 no es sólo una buena y simple solución estructural para simular proyección de sombras ya que, además, sensoriza los diferentes elementos simulados obteniendo datos numéricos objetivos, no tan sólo de la iluminación / sombra , sino también una buena aproximación del potencial energético. Heliodón 2.0 se posiciona automáticamente a partir de los datos de latitud, dia del año y hora gracias a un interfaz intuitivo. El posicionamiento automático del sistema permite realizar diferentes estudios de interés, como: a. Detalle de iluminación / sombras / potencia a lo largo de los meses en una determinada hora del día. b. Evolución de iluminación / sombras / potencia a lo largo de cualquier día tipo del año. c. Evolución acelerada de iluminación / sombras / potencia de una año completo. Heliodón 2.0 proporciona la información digital de la simulación. A partir de ella se puede extraer información de detalle de la evolución solar, de las sombras y del potencial solar. Heliodón 2.0 es interactivo, didáctico y comprensible para el usuario. Heliodon 2.0 implementa un sistema de transición continua, estética y sin saltos discretos como en los sistemas clásicos.
Heliodón 2.0 es económico y construido con materiales y componentes que lo hacen fácilmente replicable y escalable, permitiendo hacer versiones de diferentes tamaños que permitan la posibilidad de construir dispositivos compactos, desmontables y portátiles. A diferencia del Heliodon clásico donde las posiciones próximas a los polos no son simulables, en el Heliodon 2.0, gracias a su diseño y al uso de una sola fuente de luz, se puede recrear cualquier posición del sol.
3. Heliodón 2.0 3.1.Estructura Los componentes básicos que constituyen la estructura de Heliodón 2.0 son. -
La bancada donde se va apoyar el sistema Heliodón 2.0. El doble rotador interior, es la pieza clave de este nuevo modelo, que permitirá que el foco pueda rotar libremente sin ningún tipo de interferencia con los demás elementos. El rotador exterior es la pieza que lleva incorporado el foco, simulando el Sol. La plataforma es la superficie que se mantiene horizontal con el modelo a escala encima. Esta se conecta via indirecta soportada con el doble rotador interior.
Componentes estructurales de Heliodón 2.0.
El montaje estructural de Heliodón no presenta ningún problema especial. Las piezas además son desmontables y plegables (incluido el doble rotador), con lo cual todo el sistema puede ser recogido en el espacio de una maleta.
Montaje del Heliod贸n 2.0.
En esta imagen se representa una posici贸n general de Heliod贸n 2.0.
Heliod贸n 2.0 en funcionamiento.
3.2.Automatización Para la automatización del Heliodon 2.0 nos basamos en varios motores paso a paso que controlan la posicion de todas las piezas móviles del mismo. Estos motores estan a su vez conectados a un microcontrolador donde reside el programa encargado de definir el comportamiento del Heliodon en cada momento, en base a la parametrización del usuario.
Microcontrolador Arduino Micro
Motor paso a paso
3.3.Sensorización Se implementa una matriz fija de fotoresistencias de tipo LDR sobre el plano de simulación más un conjunto de fotoresistencias móviles que pueden ser situadas sin estorbar en cualquier punto de la maqueta gracias a un falso suelo modular situado en la superficie de simulación. Esta sensorización permite no solo observar la evolución de las sombras sobre el plano tal como pasa en un Heliodón clásico, sino que también nos permite extraer datos objetivos sobre las mediciones de iluminación / sombras / potencia que podrán ser posteriormente procesados y analizados mediante herramientas externas. La información de los sensores es volcada mediante el uso de un microcontrolador a en un dispositivo SBC (Single Board Computer) integrado -como por ejemplo una Raspberry Pi- , donde es almacenada y preprocesada.
Fotoresistor o LDR
Foco LED
3.4.Extracción de datos y acceso a internet Como se ha comentado en el apartado anterior, toda la información recogida por los sensores es almacenada en el dispositivo SBC (Single Board Computer) integrado en el Heliodon 2.0. Gracias a las posibilidades de conectividad que nos ofrecen este tipo de dispositivos, la información generada por los sensores puede ser enviada directamente a través de internet a una serie de servicios web que procesan la información y muestran los resultados de manera amigable a los usuarios.
Placa SBC Raspberry Pi 2
3.5.Interfaz Para que el usuario pueda configurar, controlar el Heliodon 2.0, ademas de poder gestionar la información generada por el, es necesario que exista una interfaz flexible y potente pero a la vez sencilla de usar, para eso se utiliza una pantalla tactil TFT de 3,5’’ que mediante una sencilla interfaz permite al usuario interactuar con el Heliodon y configurar todos sus parámetros.
Pantalla TFT tactil de 3.5’’. Fuente: http://www.banggood.com
3.6 Componentes y esquema de diseño Despues de analizar todos los principales componentes por separado, ahora vamos a ver como todas las piezas encajan para crear el Heliodon 2.0. Heliodon 2.0 tiene 2 cerebros que trabajan conjuntamente para hacerlo funcionar. Al nivel más bajo dispone de un microcontrolador que controla la posición de todos los motores y recibe la información de los sensores de luz, gestionando de esta manera toda la parte mecánica del sistema. Este microcontrolador se comunica permanentemente mediante una comunicación serie bidireccional con el SBC, nuestro otro cerebro. El SBC se encarga de la gestión a alto nivel, dotando el Heliodon 2.0 de un sistema de control con pantalla tactil para la interacción con el usuario, haciendo el procesado de la información y permitiendo la comunicación del Heliodon 2.0 con los servicios externos a través de internet.
Esquema de componentes de Heliodon 2.0