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como construir un cargador solar...

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FACULTAD DE CIENCIAS QUIMICAS E INGENIERIA

CARGADOR FOTOSENSIBLE (SOLAR)

AUTORES:

1. 2. 3. 4. 5.

ALARCÓN ALONSO KENNY EMANUEL ÁVILA MORALES IRMA PAMELA CASILDO SÁNCHEZ LUIS ÁNGEL ESPINOZA SILVA ALINE LIZBETH ROMA MAXINEZ ALITZEL STEFANNY

INTRODUCCIÓN Debido a la necesidad de varias comunidades rurales en nuestro país donde la energía eléctrica no llega y por toda la problemática que se ha generado por el uso excesivo de ésta, se pensó construir un dispositivo móvil para cargar celulares desde cualquier punto, con el sólo uso de la energía solar. El motivo por el cual se ha pensado en el desarrollo y trabajo de este proyecto es porqué existen comunidades rurales en México en donde la luz eléctrica no ha llegado y esta es el principal motivo, porque vivimos una época en la cual en el indispensable tener un teléfono para mantenerse en comunicación con otras personas, al no haber luz eléctrica es imposible cargar la batería de los celulares. Con este trabajo se contempla usar energía solar en ausencia de energía eléctrica.

ÍNDICE DE CONTENIDO

CONTENIDO Introducción CAPÍTULO I MARCO CONTEXTUAL 1.1Justificación 1.2 Antecedentes 1.3 Objetivos 1.3.1 Objetivos generales 1.3.2 Objetivos específicos CAPÍTULO II MARCO TEÓRICO 2.1 Fundamentos 2.1.1 concepto de electrónica 2.1.2 SISTEMA ELECTRÓNICO 2.1.3 SEÑALES DE UN SISTEMA ELECTRONICO 2.1.4 LOS SEMICONDUCTORES 2.1.5 TIPOS DE SEMICONDUCTORES 2.2 Enfoques de autores o teorías que respaldan el trabajo de investigación 2.2.1 Historia de la energía solar fotovoltaica

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2.2.2 Energía solar fotovoltaica en la actualidad 2.2.3 Tales de Mileto 2.2.4 William Gilbert 2.2.5 Stephen Gray 2.2.6 Charles François 2.2.7 Benjamín Franklin 2.2.7 Charles-Agustín De Coulomb 2.2.8 Alessandro Volta 2.2.9 Michel Faraday 2.2.10 Thomas Alva Edison 2.2.11 Nikola Tesla

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CAPÍTULO II METODOLOGÍA (PROPUESTA A IMPLEMENTAR) 3.1Materiales y metodología

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CAPITULO I MARCO CONTEXTUAL JUSTIFICACIÓN Uno de los mayores “males” modernos es el de depender en exceso de la batería de nuestro smartphone para poder comunicarnos, trabajar o estudiar. Los celulares se han convertido en una herramienta esencial en la vida de todos. Sin embargo, la mayoría de estos aún necesitan ser cargados dos veces durante un día de uso constante. Una buena idea para mantener el móvil cargado es usar recursos eficientes y prácticos como las energías renovables. Por ejemplo, los cargadores solares portátiles, que se abastecen únicamente de la abundante luz del sol. Al permitir prescindir de la red eléctrica, los cargadores solares resultan de gran utilidad para usar los dispositivos portátiles en zonas alejadas de la red eléctrica o cuando se esté en movimiento y no sea posible o práctico quedarse en un lugar fijo durante varias horas para cargar completamente tu móvil. Además tiene la ventaja de que es un producto ecológico ya que solo usa la energía solar. ANTECEDENTES La idea de usar la luz del sol como fuente de energía surgió como una respuesta al cambio climático o una oportunidad de tener un recurso sostenible. Sencillamente nació como un experimento de laboratorio del francés Alexandre Becquerel en 1839. Tuvieron que pasar más de 100 años para que esta tecnología saliera al mercado, pero su costo era muy elevado y su uso limitado solo a grandes corporaciones. Sin embargo, con la revolución científica del siglo XXI, algunas compañías han tratado de masificar la utilización de paneles solares. De hecho, hace algunos años empresas fabricantes de teléfonos inteligentes los incorporaron en sus carcasas o directamente en la pantalla del móvil de manera fallida, y los primeros cargadores solares que salieron al mercado simplemente mantenían la carga de la batería o en ocasiones ni siquiera almacenaban energía. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Diseñar e implementar un cargador fotosensible, capaz de suministrar energía a dispositivos móviles.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS  Analizar las celdas solares y obtener presupuestos.  Analizar los dispositivos a cargar.  Diseñar los circuitos para garantizar el funcionamiento adecuado de las celdas que se van a trabajar.  Implementar los circuitos con sus respectivas funciones a cumplir con el cargador solar.  Construir el prototipo.

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CAPITULO II MARCO TEÓRICO 1 FUNDAMENTOS 1.1 CONCEPTO DE ELECTRÓNICA Electrónica es la rama de la Ciencia y la Tecnología que se ocupa del estudio de las leyes que rigen el flujo de electrones a través del vacío, de gases o de semiconductores, así como del estudio y desarrollo de los dispositivos (Circuitos Electrónicos) en los que se produce este movimiento controlado y de las aplicaciones que de ello se deriven. Las áreas de aplicación de la electrónica son: ELECTRON Electrónica de Comunicaciones (Telecomunicaciones) Electrónica Digital (Ingeniería de Computación) Electrónica de Control (Ingeniería de Control) Electrónica de Potencia (Control de Energía Eléctrica).

1.2 SISTEMA ELECTRÓNICO Dispositivo basado en circuitos electrónicos capaz de extraer, almacenar, transportar, procesar, controlar la información de una señal. Consta de tres bloques: 1.2.1 Bloque de entrada: sensor o transductor. Encargado de transformar las señales de mundo físico (presión, temperatura, sonido, voz, imágenes, etc... en señales de corriente o voltaje. 1.2.2 Bloque de procesamiento: Conjunto de circuitos electrónicos cuya función es la de transformar, almacenar y procesar las señales de voltaje y corriente provenientes de los transductores. 1.2.3 Bloque se salida: Es un actuador que convierte las señales de corriente o voltaje en señales físicamente útiles. 1.3 SEÑALES DE UN SISTEMA ELECTRONICO 1.3.1 Señal analógica: *Puede tomar cualquier valor de amplitud. *La amplitud varía continuamente en el tiempo. *La señal obtenida por un transductor es analógica. *Más sensibles al ruido (perturbaciones). 3

* Más difíciles de implementar en circuitos integrados. 1.3.2 Señal digital: *Solo toma un número finito de amplitudes. *Su amplitud es en lógica binaria dos. *La amplitud cambia en instantes espaciados uniformemente. *Menos sensibles al ruido. *Más fáciles de implementar en circuitos integrados.

1.4 LOS SEMICONDUCTORES 1.4.1 Un semiconductor: es un material que tiene las propiedades eléctricas de un conductor y de un aislante, como por ejemplo el Germanio y el Silicio (metaloides), este último el más utilizado en la actualidad para la fabricación de componentes electrónicos. 1.4.2 Aislante: es un material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los materiales empleados como "aislantes" siempre conducen algo la electricidad, pero presentan una resistencia al paso de corriente eléctrica hasta 2,5 × 1024 veces mayor que la de los buenos conductores eléctricos como la plata o el cobre. Un buen aislante apenas posee electrones permitiendo así el flujo continuo y rápido de las cargas. En los circuitos eléctricos normales suelen usarse plásticos como revestimiento aislante para los cables. Los cables muy finos, como los empleados en las bobinas (por ejemplo, en un transformador), pueden aislarse con una capa delgada de barniz. El aislamiento interno de los equipos eléctricos puede efectuarse con mica o mediante fibras de vidrio con un aglutinador plástico. En los equipos electrónicos y transformadores se emplea en ocasiones un papel especial para aplicaciones eléctricas. Las líneas de alta tensión se aíslan con vidrio, porcelana u otro material cerámico.

1.5 TIPOS DE SEMICONDUCTORES

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1.5.1 Semiconductores intrínsecos: Un material semiconductor hecho sólo de un único tipo de átomo, se denomina semiconductor intrínseco. Los más empleados históricamente son el germanio (Ge) y el silicio (Si); siendo éste último el más empleado (por ser mucho más abundante y poder trabajar a temperaturas mayores que el germanio). Cada átomo de un semiconductor tiene 4 electrones en su órbita externa (electrones de valencia), que comparte con los átomos adyacentes formando 4 enlaces covalentes. De esta manera cada átomo posee 8 electrones en su capa más externa., formando una red cristalina, en la que la unión entre los electrones y sus átomos es muy fuerte. Por consiguiente, en dicha red, los electrones no se desplazan fácilmente, y el material en circunstancias normales se comporta como un aislante. Sin embargo, al aumentar la temperatura, los electrones ganan energía, por lo que algunos pueden separarse del enlace e intervenir en la conducción eléctrica. De esta manera, la resistividad de un semiconductor disminuye con la temperatura (su conductividad aumenta). A temperatura ambiente, algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, se les somete al potencial eléctrico, como por ejemplo de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina un hueco, cuyo efecto es similar al que provocaría una carga positiva. Los electrones y los huecos reciben el nombre de portadores. La conducción eléctrica a través de un semiconductor es el resultado del movimiento de electrones (de carga negativa) y de los huecos (cargas positivas) en direcciones opuestas al conectarse a un generador. Si se somete el cristal a una diferencia de potencial se producen dos corrientes eléctricas: una debida al movimiento de los electrones libres de la estructura cristalina, y otra debida al desplazamiento de los electrones en la banda de valencia, que tenderán a saltar a los huecos próximos, originando una corriente de huecos. Los electrones libres se dirigen hacia el polo positivo de la pila (cátodo), mientras que los huecos pueden considerarse como portadores de carga positiva y se dirigen hacia el polo negativo de la pila, llamado ánodo (hay que considerar que por el conductor exterior sólo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica; los huecos sólo existen en el seno del cristal semiconductor). 5

1.5.2 Semiconductores extrínsecos: Para mejorar las propiedades de los semiconductores, se les somete a un proceso de impurificación (llamado dopaje), consistente en introducir átomos de otros elementos con el fin de aumentar su conductividad. El semiconductor obtenido se denominará semiconductor extrínseco. 1.5.3 Semiconductor tipo P: se emplean elementos trivalentes (3 electrones de valencia) como el Boro (B), indio (In) o Galio (Ga) como dopantes. Puesto que no aportan los 4 electrones necesarios para establecer los 4 enlaces covalentes, en la red cristalina éstos átomos presentarán un defecto de electrones (para formar los 4 enlaces covalentes). De esa manera se originan huecos que aceptan el paso de electrones que no pertenecen a la red cristalina. Así, al material tipo P también se le denomina donador de huecos (o aceptador de electrones). 1.5.4 Semiconductor tipo N: Se emplean como impurezas elementos pentavalentes (con 5 electrones de valencia) como el Fósforo (P), el Arsénico (As) o el Antimonio (Sb). El donante aporta electrones en exceso, los cuales al no encontrarse enlazados, se moverán fácilmente por la red cristalina aumentando su conductividad. De ese modo, el material tipo N se denomina también donador de electrones.

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ENFOQUES DE AUTORES O TEORÍAS QUE RESPALDAN El TRABAJO DE INVESTIGACIÓN.

2.1 Historia de la energía solar fotovoltaica: El efecto fotovoltaico fue reconocido por primera vez en 1839 por el físico francés Alexadre-Edmond Becquerel. Sus estudios sobre el espectro solar, magnetismo, electricidad y óptica son el pilar científico de la energía fotovoltaica. Estaba experimentando con una pila electrolítica con electrodos de platino cuando comprobó que la corriente subía en uno de los electrodos cuando este se exponía al sol. En 1873 el inventor norteamericano Charles Fritts construye la primera celda solar con una eficiencia del 1%. La primera celda solar fue construida utilizando como semiconductor el Selenio con una muy delgada capa de oro. Debido al alto costo de esta celda se utilizó para usos diferentes a la generación de electricidad. Las aplicaciones de la celda de Selenio fueron para sensores de luz en la exposición de cámaras fotográficas. Si bien en todos estos descubrimientos la cantidad de electricidad que se obtenía era muy reducida y quedaba descartada cualquier aplicación práctica, se 6

demostraba la posibilidad de transformar la luz solar en electricidad por medio de elementos sólidos sin partes móviles. De esta manera empezaba la carrera de las placas fotovoltaicas como proveedoras de energía. La celda de Silicio que hoy día utilizan proviene de la patente del inventor norteamericano Russell Ohl. Fue construida en 1940 y patentada en 1946. La época moderna de la celda de Silicio llega en 1954 en los laboratorios Bells. Accidentalmente experimentando con semiconductores se encontró que el Silicio con algunas impurezas era muy sensitivo a la luz.

2.2 Energía Solar Fotovoltaica en la actualidad El siglo XXI nace con una premisa para el desarrollo sostenible medio-ambiental. El creciente desarrollo industrial y de consumo trae como consecuencia un deterioro del medio ambiente a través de las emisiones de CO2 y otros gases que además de destruir la capa de Ozono afectan la salud del hombre. La protección del medio ambiente es compromiso de todos, gobiernos, personas e industrias. Hoy día vemos un gran crecimiento, tanto en la producción de paneles solares cada vez más económicos como en la implementación de grandes plantas solares conectadas a la red eléctrica. Australia y Estados Unidos no firmaron el tratado de Kyoto, sin embargo, construyeron las más grandes Plantas Fotovoltaicas. En Deming, Nuevo México se encuentra una planta de 300 MW y en Gila Bend, Arizona otra de 280 MW. Por otro lado, en Australia (Mildura, Victoria) se está construyendo una planta de 154 megavatios. El objetivo del gobierno australiano es llegar a 270.000 megavatios mediante generación fotovoltaica para el año 2020. Curiosamente estos dos países que no ratificaron el tratado de Kyoto tienen las mayores plantas fotovoltaicas y continúan con su implementación. Tuvieron que pasar otros 20 años para que se desarrollaran las celdas solares en México fabricadas con silicio, las cuales son utilizadas en la actualidad y que tuvieron su origen en 1940 y 1946, cuando el inventor norteamericano Rossell Ohl desarrolló el sistema. 7

Los paneles solares ofrecían grandes ventajas frente a otras opciones empleadas como los generadores de queroseno. Una vez comprado el panel ya no era necesario la adquisición cada poco tiempo de combustible para hacerlo funcionar, lo que suponía un menor grado dependencia del exterior. Por otro lado, buena parte de las sociedades empobrecidas del planeta se encuentran en zonas tropicales y subtropicales con abundante y potente sol, lo que facilita y favorece el empleo de la energía solar.

2.3 Tales de Mileto Hacia el año 600 a.c, el filósofo griego Tales de Mileto observó que, frotando una varilla de ámbar con una piel o con lana, se podía crear pequeñas cargas, que atraían pequeños objetos. También habían observado que si la frotaban mucho tiempo podían causar la aparición de una chispa. 2.4 William Gilbert En 1600, el científico inglés William Gilbert publicó su libro De Magnete, en donde utiliza la palabra latina electricus, derivada del griego electrón, que significa ámbar, para describir los fenómenos descubiertos por los griegos. También estableció las diferencias entre el magnetismo y la electricidad. 2.5 Stephen Gray. Físico y científico inglés. Destacado especialista en electricidad, descubrió la conductibilidad y llevó a cabo diversas experiencias sobre transporte de energía eléctrica a distancia. También descubrió la electrización por influencia.

2.6 Charles François Fue un físico y químico francés, superintendente del Jardin du Roy. De familia prominente con influencia en ambientes militares y eclesiásticos, su padre le consiguió el nombramiento de químico adjunto en la Academie des Sciences. Aún sin tener una formación científica, Du Fay, pronto destacó en sus experimentos sobre la electricidad al enterarse de los trabajos de Stephen Gray, dedicó su vida al estudio de los fenómenos eléctricos. Publicó sus trabajos en 1733 siendo el primero en identificar la existencia de dos tipos de cargas eléctricas (las denominadas hoy en día positiva y negativa), que él denominó carga vítrea y carga resinosa, debido a que ambas se manifestaban: de una forma 8

al frotar, con un paño de seda, el vidrio (carga positiva) y de forma distinta al frotar, con una piel, algunas sustancias resinosas como el ámbar o la goma, (carga negativa). 2.7 Benjamín Franklin.

Franklin ganó el título de por su temprana e infatigable campaña por la unidad colonial, inicialmente como autor y portavoz en Londres para varias colonias. Como el primer embajador de los Estados Unidos en Francia, él ejemplificó a la naciente nación americana. Franklin fue fundamental en la definición del ethos americano como un matrimonio de los valores prácticos de ahorro, trabajo duro, educación, espíritu comunitario, instituciones autogobernadas y oposición al autoritarismo político y religioso, con los valores científicos y tolerantes de la Ilustración. En palabras del historiador Henry Steele Commager, En un Franklin se podían fusionar las virtudes del puritanismo sin sus defectos, la iluminación de la Ilustración sin su calor. Para Walter Isaac son, esto hace de Franklin «El más consumado americano de su edad y el más influyente en inventar el tipo de sociedad que Estados Unidos se convertiría.

2.7 Charles-Agustín de Coulomb Fue el primer científico en establecer las leyes cuantitativas de la electrostática, además de realizar numerosas investigaciones acerca de magnetismo, fricción y electricidad. Sus investigaciones científicas están recogidas en siete memorias, en las que expone teóricamente los fundamentos del magnetismo y de la electrostática. En 1777 inventó la balanza de torsión para medir la fuerza de atracción o repulsión que ejercen entre sí dos cargas eléctricas y estableció la función que liga esta fuerza con la distancia. Con este invento, culminado en 1785, Coulomb pudo establecer el principio, que rige la interacción entre las cargas eléctricas, actualmente conocido como ley dey Coulomb. También estudió la electrización por frotamiento, la polarización e introdujo el concepto de momento magnético. El culombio o coulomb (símbolo C), es la unidad derivada del Sistema Internacional de Unidades para la medida de la magnitud física de cantidad de electricidad (carga eléctrica), nombrada en su honor.

2.8 Alessandro Volta

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Alejandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta, físico italiano, nació el 18 de febrero de 1745 en la ciudad italiana de Como; recibió una educación básica y media de características humanista, pero al llegar a la enseñanza superior optó por una formación científica. En el año 1774, es nombrado profesor de física de la Escuela Real de Como. Justamente, un año después Volta realiza su primer invento: un aparato relacionado con la electricidad. Con dos discos metálicos, separados por un conductor húmedo, pero unidos con un circuito exterior logra, por primera vez, producir corriente eléctrica continua, inventa el electróforo perpetuo, un dispositivo que una vez que se encuentra cargado puede transferir electricidad a otros objetos. Entre los años 1776 y 1778 se dedica a la química, descubre y aísla el gas de metano. Un año más tarde, en 1779, es nombrado profesor titular de la cátedra de física experimental en la Universidad de Pavía.

2.9 Mich...